Get best of the week

Evolusi teori string menjadi teori-M

Selamat siang, habrasociety tersayang. Setelah lama absen, saya memutuskan untuk sekali lagi mengambil keyboard pena . Hari ini kita akan mencoba melacak evolusi teori string ke teori-M, dan menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan: apa yang mendorong para ilmuwan untuk mengembangkan teori ini, masalah apa yang harus mereka hadapi, dan apa yang dipikirkan oleh para pemikir terbaik umat manusia saat ini.

Teori string


Di Habré sudah ada artikel tentang teori string. Jika secara singkat pada tahun 1968, para ilmuwan memperhatikan bahwa fungsi matematika yang disebut fungsi beta Euler idealnya menggambarkan sifat-sifat partikel yang berpartisipasi dalam apa yang disebut interaksi kuat - salah satu dari empat interaksi mendasar di Semesta.

Selama pemeriksaan lebih lanjut, fakta ini dikonfirmasi, menarik bahwa sebelumnya fungsi ini terutama digunakan dalam deskripsi getaran string yang dikencangkan.

Saat melihat semua ini, para peneliti mengajukan pertanyaan yang masuk akal: "Tetapi bagaimana jika partikel elementer sama sekali bukan partikel, tetapi string terbaik mikroskopis, dan apa yang kita amati dalam praktik bukanlah lintasan gerak partikel, tetapi lintasan getaran yang melewati string ini? ". Selain itu, sifat getaran juga menunjukkan partikel mana yang ada di depan kita: satu jenis getaran ( mode getaran ) adalah satu partikel, jenis lainnya adalah yang lain.

Studi pertama menunjukkan bahwa teori string telah mencapai keberhasilan yang signifikan dalam menggambarkan fenomena yang diamati. Salah satu mode getaran tali dapat diidentifikasi sebagai graviton. Mode getaran lainnya menunjukkan sifat foton dan gluon.

Dengan alasan yang bagus, tampaknya teori string mampu mereduksi keempat interaksi fundamental Semesta menjadi satu - getaran string satu dimensi dengan transfer energi yang sesuai. Selain itu, teori string juga memungkinkan kita untuk menjelaskan konstanta dasar microworld dari sudut pandang matematika. Menjadi jelas mengapa, misalnya, massa partikel elementer persis seperti apa adanya.

Selain itu, teori string memberi harapan untuk kombinasi relativitas umum (teori relativitas umum) dan mekanika kuantum dalam kerangka satu teori. Dalam perhitungan, ternyata getaran alami dari string dapat meredam dan menyeimbangkan fluktuasi kuantum dan dengan demikian menghilangkan gangguan pada tingkat mikroskopis, karena GR dan mekanika kuantum tidak dapat berteman.

Namun, dalam penelitian yang lebih dalam dan verifikasi teori, kontradiksi serius dari konsekuensi dengan data eksperimen terungkap. Misalnya, dalam teori string, sebuah partikel selalu ada - tachyon (yang kuadrat massanya kurang dari nol, dan bergerak dengan kecepatan lebih besar dari kecepatan cahaya) - sebagai salah satu mode getaran string, yang menyiratkan keadaan string yang tidak stabil dan dengan jelas menunjukkan bahwa teori string memerlukan modifikasi.

Teori Superstring


Pada tahun 1971, teori string yang dimodifikasi dibuat disebut " Teori Super String ".

Untuk memahami modifikasi, mari kita coba berurusan dengan karakteristik seperti putaran. Ada versi umum untuk menjelaskan esensi putaran "di jari": putaran adalah jumlah putaran di sekitar porosnya yang perlu dibuat partikel agar terlihat sama seperti di awal. Untuk putaran dalam suatu unit, semuanya tampak jelas (objek apa pun yang bentuknya tidak beraturan dapat diberi "putaran" sama dengan satu), dan untuk mencoba membayangkan bentuk objek yang perlu digulirkan di sekitar sumbu dua kali sehingga terlihat sama seperti di awal, Anda dapat melihat ilustrasi di sebelah kanan. Ini menggambarkan mesin empat langkah, yang kembali ke keadaan semula ketika poros engkol diputar 720 °, yang merupakan jenis analog dari putaran setengah bilangan bulat.

Saat ini, diyakini bahwa partikel elementer hanya dapat memiliki setengah bilangan bulat atau bilangan bulat. Boson adalah partikel-partikel yang memiliki putaran bilangan bulat. Fermion adalah partikel di mana putarannya setengah integral. Berdasarkan hal ini, versi pertama teori string hanya menggambarkan boson, itulah sebabnya mengapa teori ini juga disebut " teori string bosonik ". Teori superstring termasuk fermion - dengan pendekatan ini, masalah keberadaan tachyons, serta banyak kontradiksi lainnya dalam teori, diselesaikan!

Tetapi ada beberapa masalah baru. Dalam teori superstring, ternyata untuk setiap boson harus ada fermion yang sesuai, yaitu, simetri tertentu harus ada antara boson dan fermion. Simetri semacam ini telah diprediksi sebelumnya - dengan nama " supersimetri". Namun secara eksperimental, keberadaan fermion supersimetrik belum dikonfirmasi. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa, menurut perhitungan, fermion supersimetrik harus memiliki massa besar untuk microworld, dan oleh karena itu, dalam kondisi biasa, mereka tidak dapat diperoleh. Untuk mendaftarkannya, dibutuhkan energi yang sangat besar, yang dicapai ketika partikel-partikel cahaya bertabrakan pada kecepatan yang hampir ringan.

Bahkan sekarang mereka mencoba mendaftarkan fermion supersimetrik dalam percobaan di Large Hadron Collider, tetapi sejauh ini tidak berhasil.

Alam Semesta Multidimensi


Pada saat yang sama, persamaan teori superstring tidak ingin konsisten dengan teori kuantum, sebagai akibatnya memberikan unit probabilitas negatif atau lebih besar.

Untuk memahami prasyarat pengembangan teori lebih lanjut, kami melakukan perjalanan singkat ke dalam sejarah. Kembali pada tahun 1919, ahli matematika Jerman Kaluza mengirim Einstein surat yang menyatakan teorinya di mana ia membuat asumsi bahwa pada kenyataannya Semesta dapat empat dimensi dalam ruang, dan dalam bukti kata-katanya ia mengutip perhitungannya, dari mana ternyata dalam kondisi seperti itu GTR luar biasa. konsisten dengan teori medan elektromagnetik Maxwell, yang tidak mungkin dicapai di Alam Semesta tiga dimensi. Orang sezaman mencemooh teori itu, dan tak lama kemudian Einstein, yang awalnya tertarik pada teori itu, menjadi kecewa dengan teori itu.

Pada tahun 1926, fisikawan Oscar Klein juga tertarik pada karya Kaluza dan memperbaiki modelnya. Menurut Klein, ternyata dimensi tambahan mungkin memang ada, tetapi berada dalam "kurungan" dan terpaku pada bentuk itu sendiri. Selain itu, dimensi keempat runtuh dengan sangat ketat - hingga ukuran partikel elementer, jadi kami tidak menyadarinya. Teori itu disebut dunia lima dimensi Kaluza - Klein (empat dimensi dalam ruang + waktu), tetapi juga tetap terlupakan sampai tahun 80-an abad ke-20.

Para ilmuwan dalam upaya untuk menjelaskan ketidakkonsistenan teori string dengan mekanika kuantum telah menyarankan bahwa masalah dalam perhitungan adalah karena fakta bahwa string dalam teori kita dapat berfluktuasi hanya dalam tiga arah yang dimiliki alam semesta kita. Sekarang, jika string dapat berosilasi dalam empat dimensi ...

Perhitungan telah menunjukkan bahwa dalam kasus ini masalahnya tetap ada, tetapi jumlah kontradiksi dalam persamaan menurun. Para peneliti terus meningkatkan jumlah pengukuran sampai mereka memperkenalkan sebanyak 9 pengukuran di ruang angkasa, di mana, akhirnya, teori superstring bertemu dengan mekanika kuantum dan GR. Momen ini turun dalam sejarah sebagai “ revolusi pertama dalam teori string". Tepat sejak saat itu, seruan mulai terdengar bahwa kita benar-benar hidup di alam semesta sepuluh-dimensi - satu dimensi dalam waktu, tiga dimensi yang kita kenal digunakan untuk dimensi kosmik, dan enam sisanya diminimalkan pada skala mikroskopis dan karenanya tidak terlihat.

Dari sudut pandang praktis, saat ini tidak mungkin untuk mengkonfirmasi atau menyangkal secara eksperimental, karena kita berbicara tentang skala kecil string dan pengukuran terlipat yang tidak tersedia untuk pemasangan dengan peralatan modern.

Dengan perkembangan lebih lanjut, para ilmuwan secara teori mampu membangun pandangan umum tentang enam dimensi yang runtuh, di mana dunia kita tetap seperti apa adanya. Pandangan ini sesuai dengan objek matematika dari kelompok yang disebut " manifold Calabi-Yau"(Di kanan.). Tetapi ini tidak membawa konsekuensi yang menjanjikan, meskipun bentuk umum dari objek-objek ini dihitung, tetapi bentuk yang tepat, ternyata, tidak dapat dibangun tanpa eksperimen. Dan tanpa menemukan bentuk yang tepat dari ruang Calabi-Yau di Semesta kita, seluruh teori superstring pada dasarnya direduksi menjadi peramalan karena alasan kopi.

Namun, pekerjaan berlanjut, dan secara bertahap para ilmuwan berhasil mengisolasi lima teori yang lebih atau kurang masuk akal dari total massa hipotesis yang dapat menggambarkan alam semesta kita. Ini adalah 5 teori superstring yang terkenal, sementara mereka semua sama-sama mengklaim gelar satu-satunya yang benar dan pada saat yang sama tampak tidak kompatibel satu sama lain, yang menyebabkan keprihatinan besar di antara para ilmuwan.

Teori M.


Hanya pada pertengahan tahun sembilan puluhan abad terakhir yang disebut " revolusi kedua dalam teori string " terjadi. Edward Witten berhipotesis bahwa berbagai teori superstring adalah kasus pembatas yang berbeda dari teori-11-dimensi yang belum dikembangkan.

Pengenalan dimensi lain secara keseluruhan tidak melanggar hubungan antara teori kuantum dan relativitas umum, dan terlebih lagi, ia menghilangkan sangat banyak akumulasi masalah dalam teori superstring. Termasuk berhasil melintasi kelima teori superstring menjadi satu teori-M tunggal, yang hari ini, tanpa berlebihan, pencapaian tertinggi fisikawan dalam pengetahuan Semesta.

Menurut teori-M, ternyata dasar Semesta bukan hanya string satu dimensi. Mungkin ada analog dua dimensi string - membran, dan tiga dimensi, dan empat dimensi ... Konstruksi ini disebut bekatul (string - 1-brane, membran - 2-brane, dan sebagainya). Teori-M beroperasi pada bekatul dua dimensi dan lima dimensi, tetapi bahkan teori dasar bekatul masih dalam pengembangan. Keberadaan bekatul tidak dikonfirmasi secara eksperimental - pada tahap ini dalam pengembangan teori diyakini bahwa bekatul secara fundamental tidak dapat diobservasi.

Untuk semua ini, teori-M pada energi rendah didekati oleh supergravitasi dalam sebelas dimensi. Hubungan dengan gravitasi membuat teori-M menjadi penantang untuk menjadi teori penghubung antara semua interaksi mendasar di Semesta, atau dengan kata lain - "The Unified Theory of Everything".

Namun, masalah dengan bentuk akhir ruang Calabi-Yau dalam teori-M masih belum terselesaikan - pada skala makroskopik, teori tersebut harus direduksi menjadi fisika partikel elementer yang terkenal dan sangat teruji. Tetapi, ternyata, setidaknya ada 10.100 , atau bahkan 10.500 , atau bahkan metode pengurangan tanpa batas. Selain itu, masing-masing teori empat dimensi yang dihasilkan menggambarkan dunianya sendiri, yang mungkin mirip dengan kenyataan, atau mungkin secara fundamental berbeda dari itu.

Semua ini disebabkan oleh fakta bahwa sifat-sifat partikel dianggap sebagai metode string bergetar, dan metode yang mungkin dari string bergetar tergantung pada geometri yang tepat dari pengukuran tambahan. Persamaan perkiraan yang ada memuaskan sejumlah besar geometri yang berbeda. Artinya, persamaan ini akan valid tidak hanya di dunia kita, tetapi juga di sejumlah besar dunia lain, dan mungkin di dunia mana pun. Jika perkiraan persamaan ini final, teori tersebut dapat dianggap tidak dapat dipalsukan menurut Popper, yaitu teori yang tidak ilmiah. Jadi - menemukan persamaan yang tepat masih dapat menempatkannya di tempatnya.

Pada saat ini, pengembangan teori-M diperumit oleh fakta bahwa persamaan yang menggambarkannya sangat kompleks sehingga kebanyakan ilmuwan hanya beroperasi pada bentuk perkiraan mereka, yang tidak mengarah pada peningkatan keakuratan hasil. Selain itu, situasi seperti itu sering muncul bahwa bahkan metode matematika yang sesuai belum diciptakan untuk menyelesaikan persamaan ini, yang juga menciptakan masalah yang signifikan. Baru-baru ini, ketika fisika terhenti, pada kenyataannya, seringkali matematikalah yang terhenti. Beberapa ilmuwan mengatakan bahwa teori-M akan menerima perkembangan nyata hanya jika "terobosan matematika" terjadi.

Teori string dan, khususnya, teori-M, saat ini adalah salah satu bidang fisika modern yang paling berkembang secara dinamis. Dan meskipun beberapa ilmuwan, karena masalah mendasar, agak skeptis bahwa teori ini pada akhirnya akan mengarah pada teori fisik yang menggambarkan dunia nyata kita. Bagian penting dari para peneliti tidak menyerah harapan mereka dan percaya bahwa suatu hari teori-M akan terbentuk dalam teori Unified elegan dan matematis elegan dari segalanya.

Saya harap artikel ini tidak membuat Anda cuek, dan saya akan sangat senang jika Anda memutuskan bahwa Anda tidak membuang waktu membaca.

More articles:


All Articles