М-теория – модель Вселенной
«М-теория является единственным «кандидатом» на законченную теорию Вселенной. М-теория будет моделью Вселенной, которая создает сама себя…»
(Стивен Хокинг «Великий замысел»)
Уже больше ста поколений людей складывает мозаику окружающего мира. Головоломка «есть ли законы у природы» не давала покоя людям со времён Евклида.
Теория суперструн и М-теория стали первым крупным достижением после теории Эйнштейна. В этих теориях содержатся дальнейшие доказательства того, что наша Вселенная — лишь одна из многих. В настоящее время только М-теория способна объединить теорию относительности и квантовую механику в связное целое, только М-теория способна создать «теорию всего».
На сегодняшний день главной и единственной теорией, которая может объяснить все многообразие сил, организующих Вселенную, является струнная теория, особенно ее последнее воплощение — М-теория. По существу, струнная теория и М-теория идентичны. М-теория представляет собой более загадочную и значительно более сложную структуру, объединяющую различные «струнные теории». («М» — «мистическая», «магическая», «материнская», «матричная», «мембранная».)
В основе струнной теории и М-теории лежит идея о том, что разнообразие субатомных частиц, составляющих Вселенную, подобно нотам, по которым можно сыграть мелодию на скрипичной струне, или на мембране, натянутой, как кожа барабана. Это не совсем обычные струны и мембраны, они существуют в десяти- и одиннадцатимерном гиперпространстве. Если бы был супермикроскоп, который позволял бы заглянуть вглубь электрона, мы бы увидели, что это никакая не точечная частица, а крошечная вибрирующая струна. Эта струна вибрирует с различной частотой и различным резонансом.
Согласно М-теории, струны являются не фундаментальными частицами, а примерами более общих объектов — бран (сокращение от мембран). Как пишет Леонард Млодинов («Евклидово окно»), «У М-теории есть, оказывается, такое свойство: то, что мы воспринимаем как местоположение и время, т. е. как координаты струны или браны, есть на самом деле математические наборы — матрицы. Лишь в приблизительном смысле — когда струны далеко разнесены в пространстве — эти матрицы смахивают на координаты, поскольку все диагональные элементы набора становятся одинаковыми, а внедиагональные устремляются к нулю. Со времен Евклида это — самое глубинное изменение в понимании пространства».
Когда-то идея параллельных вселенных рассматривалась учеными с большой долей подозрения и считалась областью деятельности мистиков и шарлатанов. Но в последнее время произошел серьезный прорыв в исследованиях, и теперь лучшие умы планеты интенсивно работают именно в этом направлении. Причиной столь внезапного поворота стало появление новой струнной теории и ее последней версии, М-теории, которая обещает раскрыть природу Мультивселенной. Если теория окажется верной, то это будет главным достижением науки за последние 2000 лет, с тех самых пор, как древние греки начали поиски единой и целостной теории Вселенной.
Как пишет Мичио Каку («Параллельные миры»): «Только в десяти- и одиннадцатимерном гиперпространстве у нас «достаточно места», чтобы объединить все природные взаимодействия в единую изящную теорию. Такая удивительная теория сможет ответить на извечные вопросы: «Что произошло еще до начала? Можно ли обратить время вспять? Могут ли порталы в другие измерения перенести нас через Вселенную?»
В течение последних пятидесяти лет все попытки создания единого описания Вселенной заканчивались провалом, поскольку общая теория относительности и квантовая теория диаметрально противоположны друг другу практически во всех отношениях. Общая теория относительности — это теория очень большого: черных дыр, Больших взрывов, квазаров и расширяющейся Вселенной. Квантовая теория в точности противоположна — она описывает мир всего крошечного: атомов, протонов с нейтронами и кварков. В основе ее лежит теория отдельных пучков энергии, называемых квантами. В отличие от теории относительности, квантовая теория утверждает, что вычислить можно только вероятность событий, так что мы никогда точно не узнаем, где находится электрон. В этих двух теориях все различно — математические подходы, физические принципы и области применения.
Струнная теория и М-теория представляют радикально новый подход к общей теории относительности. В то время как Эйнштейн создавал свою общую теорию относительности исходя из концепции искривленного пространства-времени, струнная теория и М-теория основаны на концепции протяженного объекта, такого, как струна или мембрана, движущегося в суперсимметричном пространстве. В конечном итоге может оказаться возможным связать эти две картины между собой, но ясное понимание в этом вопросе еще учеными не достигнуто.
М-теория — самая общая симметричная теория гравитации. М-теория является единственным кандидатом на законченную теорию Вселенной. Если это окончательно — и это еще надо ученым доказать — то М-теория будет моделью Вселенной, которая создает сама себя. «Согласно М-теории, наша Вселенная не является единственной в своём роде. Напротив, М-теория предсказывает существование огромного множества вселенных, созданных буквально из ничего. Их создание не требовало вмешательства какого-либо сверхъестественного существа или Бога. Скорее, эти множественные вселенные возникли естественным образом, как следствие физических законов. Они являются научным предположением. Каждая Вселенная имеет множество предысторий и множество возможных будущих состояний, то есть времена подобные настоящему, спустя долгий срок после их возникновения. Большинство из этих состояний будут значительно отличаться от условий той Вселенной, которую мы можем наблюдать». (Стивен Хокинг и Леонард Млодинов «Великий замысел»)
Абстрактные логические выводы привели ученых к уникальной теории, которая предсказывает и описывает громадную Вселенную. М-теория является объединенной теорией, которую пытался создать Эйнштейн. Если М-теория подтвердится наблюдениями, это будет выдающимся открытием, к которому люди шли тысячелетиями. Надежда на экспериментальное свидетельство М-теории жива по двум причинам. Первая — возможное открытие в ближайшем десятилетии суперсимметричных частиц. Это может произойти в Большом адронном коллайдере. Вторая проверка на реальность — поиск отклонений от закона тяготения. В настоящее время проводится ряд экспериментов, проверяющих с высокой точностью закон всемирного тяготения на расстояниях в сотые доли миллиметра. Обнаружение отклонения от этого закона было бы ключевым аргументом в пользу суперсимметричных теорий.
Если М-теория окажется верной, если она и в самом деле окажется теорией всего, то станет ли это концом той физики, которая нам известна? Если М-теория (или любая другая теория, которая, в конечном счете, приведет нас к квантовой теории гравитации) окажется верной, то она сделает возможным последнее путешествие для всей разумной жизни во Вселенной, побег из нашей умирающей Вселенной в новый дом через триллионы лет.
Гипотетически можно представить, что в отдаленном будущем, триллионы лет спустя, высокоразвитая цивилизация могла бы использовать законы физики, чтобы покинуть нашу Вселенную и начать процесс возрождения в другой, более гостеприимной вселенной или вернуться назад — в то время, когда Вселенная была теплее.
Источник
Стивен Хокинг надеялся, что M-теория объяснит Вселенную. Что это за теория?
Есть легенда, что Альберт Эйнштейн провел свои последние часы на Земле, вычерчивая что-то на листке бумаги в последней попытке сформулировать теорию всего. Спустя 60 лет и другой легендарный ученый в области теоретической физики, Стивен Хокинг, покинет этот мир с похожими мыслями. Мы знаем, что Хокинг считал, что так называемая M-теория — наш лучший шанс создать полную теорию вселенной. Но что это?
С тех пор, как в 1915 году была сформулирована общая теория относительности Эйнштейна, каждый физик-теоретик мечтал примирить наше понимание бесконечно малого мира атомов и частиц с бесконечно большим масштабом космоса. Если последнее отлично описывается уравнениями Эйнштейна, первое с необычайной точностью прогнозируется так называемой Стандартной моделью фундаментальных взаимодействий.
Наше нынешнее понимание состоит в том, что взаимодействие между физическими объектами описывается четырьмя фундаментальными силами. Две из них — гравитация и электромагнетизм — проявляются для нас на макроскопическом уровне, мы имеем с ними дело каждый день. Остальные две — слабое и сильное взаимодействие — проявляются на очень малых масштабах и только когда мы имеем дело с субатомными процессами.
Стандартная модель фундаментальных взаимодействий обеспечивает единую структуру для трех из этих сил, но гравитация никак не хочет вписываться в эту картину. Несмотря на точное описание крупномасштабных явлений, таких как поведение планеты на орбите или динамика галактик, общая теория относительности перестает работать на очень коротких дистанциях. Согласно Стандартной модели, все силы опосредуются определенными частицами. В случае с гравитацией работу выполняет гравитон. Но когда мы пытаемся рассчитать взаимодействия этих гравитонов, появляются бессмысленные бесконечности в уравнениях.
Полноценная теория гравитации должна быть рабочей в любых масштабах и принимать во внимание квантовую природу фундаментальных частиц. Это позволило бы уместить гравитацию в объединенной структуре с тремя другими фундаментальными взаимодействиями, тем самым создав пресловутую теорию всего. Конечно, с тех пор, как умер Альберт Эйнштейн в 1955 году, был проделан значительный прогресс в этой области. Наш лучший кандидат сегодня носит имя M-теории.
Революция струн
Чтобы понять основную идею М-теории, нужно вернуться в 1970-е годы, когда ученые поняли, что вместо того, чтобы описывать вселенную, основываясь на точечных частицах, их лучше было бы описывать в виде осциллирующих струн (энергетических трубочек). Новый способ осмысления фундаментальных составляющих природы привел к решению многих теоретических проблем. Прежде всего, отдельное колебание струны можно интерпретировать как гравитон. И в отличие от стандартной теории гравитации, теория струн может описывать его взаимодействия математически и не получать странных бесконечностей. Значит, гравитацию можно будет включить в объединенную структуру.
После этого волнительного открытия физики-теоретики приложили много усилий, чтобы осознать его последствия. Но, как это часто случается с научными исследованиями, история теории струн полна взлетов и падений. Сперва люди были озадачены тем, что она предсказывала существование частицы, которая движется быстрее света, так называемый «тахион». Это предсказание вошло в противоречие со всеми экспериментальными наблюдениями и бросило серьезную тень на теорию струн.
Тем не менее этот вопрос был решен в начале 1980-х годов вместе с введением в теорию струн так называемой “суперсимметрии”. Она предсказывает, что у каждой частицы есть свой суперпартнер и, по необычному совпадению, то же самое условие фактически устраняет тахион. Этот первый успех широко известен как “первая струнная революция”.
Другая необычная особенность в том, что теория струн требует существования десяти пространственно-временных измерений. В настоящее время нам известно лишь четыре: глубина, высота, ширина и время. Хотя это похоже на серьезное препятствие, предлагалось уже несколько решений, и в настоящее время это все видится скорее необычной особенностью, нежели проблемой.
Например, мы могли бы существовать в четырехмерном мире без какого-либо доступа к дополнительным измерениям. Либо же лишние измерения могли быть “компактными” и умещены в такие небольшие масштабы, что мы их не замечали бы. Однако различные компактификации привели бы к иным значениям физических констант и иным законам физики. Возможное решение состоит в том, что наша Вселенная лишь одна из многих в бесконечной “множественной вселенной”, управляемой разными физическими законами.
М-теория
Оставалась еще одна проблема, которая не давала покоя теоретикам струн того времени. Тщательная классификация показала существование пяти различных последовательных теорий струн, и было непонятно, почему природа должна выбирать одну из пяти.
И здесь в игру вступает М-теория. Во время второй революции струн в 1995 году физики предположили, что пять последовательных теорий струн на деле являются разными лицами уникальной теории, которая существует в одиннадцати пространственно-временных измерениях и называется М-теорией. Она включает каждую струнную теорию различных физических контекстов, при этом оставаясь рабочей для всех. Эта невероятно увлекательная картина привела большинство теоретических физиков к идее, что М-теория станет теорией всего — и она также математически более последовательна, чем все остальные предлагаемые теории.
Как бы то ни было, пока что М-теория не смогла произвести прогнозы, которые могут быть проверены экспериментально. Суперсимметрия в настоящее время тестируется на Большом адронном коллайдере. Если бы ученые смогли найти признаки существования суперпартнеров, это окончательно укрепило бы позиции М-теории. Но современная теоретическая физика пока не в состоянии дать проверяемые прогнозы, а экспериментальная не может представить для этой проверки эксперименты.
Большинство великих физиков и космологов одержимы желанием найти это прекрасное и простое описание мира, которое могло бы объяснить все. И хотя мы пока далеки от этого, без гениальных и творческих людей вроде Хокинга это было бы и вовсе невозможно.
Источник
М-теория – модель Вселенной
«М-теория является единственным «кандидатом» на законченную теорию Вселенной. М-теория будет моделью Вселенной, которая создает сама себя…»
Уже больше ста поколений людей складывает мозаику окружающего мира. Головоломка «есть ли законы у природы» не давала покоя людям со времён Евклида.
Теория суперструн и М-теория стали первым крупным достижением после теории Эйнштейна. В этих теориях содержатся дальнейшие доказательства того, что наша Вселенная — лишь одна из многих. В настоящее время только М-теория способна объединить теорию относительности и квантовую механику в связное целое, только М-теория способна создать «теорию всего».
На сегодняшний день главной и единственной теорией, которая может объяснить все многообразие сил, организующих Вселенную, является струнная теория, особенно ее последнее воплощение — М-теория. По существу, струнная теория и М-теория идентичны. М-теория представляет собой более загадочную и значительно более сложную структуру, объединяющую различные «струнные теории». («М» — «мистическая», «магическая», «материнская», «матричная», «мембранная».)
В основе струнной теории и М-теории лежит идея о том, что разнообразие субатомных частиц, составляющих Вселенную, подобно нотам, по которым можно сыграть мелодию на скрипичной струне, или на мембране, натянутой, как кожа барабана. Это не совсем обычные струны и мембраны, они существуют в десяти- и одиннадцатимерном гиперпространстве. Если бы был супермикроскоп, который позволял бы заглянуть вглубь электрона, мы бы увидели, что это никакая не точечная частица, а крошечная вибрирующая струна. Эта струна вибрирует с различной частотой и различным резонансом.
Согласно М-теории, струны являются не фундаментальными частицами, а примерами более общих объектов — бран (сокращение от мембран). Как пишет Леонард Млодинов («Евклидово окно»), «У М-теории есть, оказывается, такое свойство: то, что мы воспринимаем как местоположение и время, т. е. как координаты струны или браны, есть на самом деле математические наборы — матрицы. Лишь в приблизительном смысле — когда струны далеко разнесены в пространстве — эти матрицы смахивают на координаты, поскольку все диагональные элементы набора становятся одинаковыми, а внедиагональные устремляются к нулю. Со времен Евклида это — самое глубинное изменение в понимании пространства».
Когда-то идея параллельных вселенных рассматривалась учеными с большой долей подозрения и считалась областью деятельности мистиков и шарлатанов. Но в последнее время произошел серьезный прорыв в исследованиях, и теперь лучшие умы планеты интенсивно работают именно в этом направлении. Причиной столь внезапного поворота стало появление новой струнной теории и ее последней версии, М-теории, которая обещает раскрыть природу Мультивселенной. Если теория окажется верной, то это будет главным достижением науки за последние 2000 лет, с тех самых пор, как древние греки начали поиски единой и целостной теории Вселенной.
Как пишет Мичио Каку («Параллельные миры»): «Только в десяти- и одиннадцатимерном гиперпространстве у нас «достаточно места», чтобы объединить все природные взаимодействия в единую изящную теорию. Такая удивительная теория сможет ответить на извечные вопросы: «Что произошло еще до начала? Можно ли обратить время вспять? Могут ли порталы в другие измерения перенести нас через Вселенную?»
В течение последних пятидесяти лет все попытки создания единого описания Вселенной заканчивались провалом, поскольку общая теория относительности и квантовая теория диаметрально противоположны друг другу практически во всех отношениях. Общая теория относительности — это теория очень большого: черных дыр, Больших взрывов, квазаров и расширяющейся Вселенной. Квантовая теория в точности противоположна — она описывает мир всего крошечного: атомов, протонов с нейтронами и кварков. В основе ее лежит теория отдельных пучков энергии, называемых квантами. В отличие от теории относительности, квантовая теория утверждает, что вычислить можно только вероятность событий, так что мы никогда точно не узнаем, где находится электрон. В этих двух теориях все различно — математические подходы, физические принципы и области применения.
Струнная теория и М-теория представляют радикально новый подход к общей теории относительности. В то время как Эйнштейн создавал свою общую теорию относительности исходя из концепции искривленного пространства-времени, струнная теория и М-теория основаны на концепции протяженного объекта, такого, как струна или мембрана, движущегося в суперсимметричном пространстве. В конечном итоге может оказаться возможным связать эти две картины между собой, но ясное понимание в этом вопросе еще учеными не достигнуто.
М-теория — самая общая симметричная теория гравитации. М-теория является единственным кандидатом на законченную теорию Вселенной. Если это окончательно — и это еще надо ученым доказать — то М-теория будет моделью Вселенной, которая создает сама себя. «Согласно М-теории, наша Вселенная не является единственной в своём роде. Напротив, М-теория предсказывает существование огромного множества вселенных, созданных буквально из ничего. Их создание не требовало вмешательства какого-либо сверхъестественного существа или Бога. Скорее, эти множественные вселенные возникли естественным образом, как следствие физических законов. Они являются научным предположением. Каждая Вселенная имеет множество предысторий и множество возможных будущих состояний, то есть времена подобные настоящему, спустя долгий срок после их возникновения. Большинство из этих состояний будут значительно отличаться от условий той Вселенной, которую мы можем наблюдать». (Стивен Хокинг и Леонард Млодинов «Великий замысел»)
Абстрактные логические выводы привели ученых к уникальной теории, которая предсказывает и описывает громадную Вселенную. М-теория является объединенной теорией, которую пытался создать Эйнштейн. Если М-теория подтвердится наблюдениями, это будет выдающимся открытием, к которому люди шли тысячелетиями. Надежда на экспериментальное свидетельство М-теории жива по двум причинам. Первая — возможное открытие в ближайшем десятилетии суперсимметричных частиц. Это может произойти в Большом адронном коллайдере. Вторая проверка на реальность — поиск отклонений от закона тяготения. В настоящее время проводится ряд экспериментов, проверяющих с высокой точностью закон всемирного тяготения на расстояниях в сотые доли миллиметра. Обнаружение отклонения от этого закона было бы ключевым аргументом в пользу суперсимметричных теорий.
Если М-теория окажется верной, если она и в самом деле окажется теорией всего, то станет ли это концом той физики, которая нам известна? Если М-теория (или любая другая теория, которая, в конечном счете, приведет нас к квантовой теории гравитации) окажется верной, то она сделает возможным последнее путешествие для всей разумной жизни во Вселенной, побег из нашей умирающей Вселенной в новый дом через триллионы лет.
Гипотетически можно представить, что в отдаленном будущем, триллионы лет спустя, высокоразвитая цивилизация могла бы использовать законы физики, чтобы покинуть нашу Вселенную и начать процесс возрождения в другой, более гостеприимной вселенной или вернуться назад — в то время, когда Вселенная была теплее.
Источник