Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тукПриемам
17 декември 2017
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Музиката на Вселената. Теорията на струните

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 10 април 2016 в 09:23171011

Във физиката има две основни физични теории. Първата от тях е Общата теория на относителността, която отговаря на въпроса за произхода и еволюцията на Вселената и обяснява добре поведението на макрообекти. Втората теория е квантовата механика, която постигна голям успех в разясняване на физиката на микросвета. Ако обединим тези две теории, ще получим почти пълна картина на Вселената - от вътрешноядрените взаимодействия до поведението на галактиките. Но обединението не се получава.

Какъв е проблемът?

Проблемът е, че тези две теории, потвърдени от различни изчисления и експерименти са напълно несъвместими една с друга. Прилагането на квантовата механика към галактическите взаимодействия и използването на теорията на относителността за изучаване на ядрените взаимодействия води до абсурдни резултати. 

Айнщайн е прекарал последните години от живота си в опити да обедини тези 2 теории. Но между тях има такива проблеми и несъответствия, които показват, че нито едната, нито другата теория има всички отговори. 

Например такъв случай е черната дупка. Черните дупки са масивни и плътни. Те са толкова плътни и масивни, че дори светлината не може да избяга от нейното гравитационно притегляне. Но черните дупки едновременно с това са невероятно малки. Гравитацията е компресирала всичко, цялата огромна маса в една малка точка, наречена сингулярност. Теорията на относителността ли да използваме, за да обясним една черна дупка, защото има огромна маса или квантовата механика, защото е толкова малка?

Изходът е да се намери нова теория, която да е в съответствие както с теорията на относителността, така и с квантовата механика и едновременно с това да ги обединява.

Един от кандидатите за такава единна теория е Теорията на струните.

Малко история

Всичко започва с една формула. През 18-ти век известният математик Леонард Ойлер се занимавал с изследване на свойствата на функции, които сам измислял. Една от тези функции се нарича бета функция на Ойлер, която изглежда така:

Функцията не е особено сложна за хора, запознати с интегралите. Ойлер описва свойствата на функцията, но тя не намира практически приложения и е забравена. 

През 1968 г. един млад физик Габриел Венециано, който работи в ЦЕРН, случайно открива, че всички свойства на частиците, участващи в ядрени взаимодействия могат да бъдат описани с помощта на бета функцията на Ойлер. Формулата работи перфектно за описание на взаимодействието на частици, но никой не знае защо, във формулата на Ойлер няма физически смисъл.

Две години по-късно смисълът е намерен - физиците открили, че ако се заменят елементарните частици с едномерни вибриращи струни, взаимодействието на тези струни се представя точно по формулата на Ойлер. Едномерни струни означава, че дебелината на струната в сравнение с дължината е безкрайно малка.


Тъй като струните са достатъчно малки, те могат да заместят елементарните частици. Сега струнната теория се е променила много в сравнение с оригиналната версия, но основната идея е същата.

Струните като механизъм на работата на Вселената

Струнната теория е напълно съвместима и с квантовата механика, и с Общата теория на относителността, така че да може да обясни Вселената във всякакви мащаби, на всяко място или време.

Като отхвърля идеята на квантовата механика, че субатомни частици са точкови и ги заменя с малки вибриращи струни енергия, тя представя Вселената по нов начин като обединява не само двете основни теории (на относителността и квантовата механика), но и предлага един нов възглед и за гравитацията в квантови мащаби, черни дупки и дори раждането на самата наша Вселена.

Но как всичко това прави една на пръв поглед абсурдна идея, че цялата материя се състои от миниатюрни струни?

За да се обясни основната идея на теорията на струните, едномерните струни могат да бъдат представени под формата на познатите ни струни в музикалните инструменти. Например, на китарата. Трептенията на всяка струна имат две важни свойства: 

1. Амплитудата, отговорна за силата на звука.
2. Честотата, която определя височината на звука.

Амплитудата е максималното отклонение на частиците от равновесното им положение. Честотата  е броят периоди за единица време. ƒ = 1/Т = ω/2.π

Вълни с еднаква честота, но в различна фаза Вълни с различна честота (период)

Звуците, чиито честоти се различават помежду си с по-малко от 1 Hz, са практически неразличими за човешкото ухо. Колкото е по-голяма честотата на звука, толкова по-малко забележими са измененията на тази честота. Затова в музиката разликата в честотите на съседните ноти варира от 1 Hz за ниските звуци на няколкостотин херца за високите. За да се изпълни някакво музикално произведение, получаваме само определен ограничен набор от честоти, съответстващи на приетите ноти. Ние може да изсвирим "ми" с честота от 330 Hz или "фа" с честота 349 Hz, но разликата в честотата между тях е недостъпна за слуха ни.

Наборът от характерни за струната устойчиви форми на трептения се нарича мод (собствено трептение), а съвкупността от всички възможни модове - спектър на трептенията.

От силата на звука и модовете на трептенията зависи енергията им. Интуитивно може да се разбере, че силният и висок звук има повече енергия, отколкото тихият и нисък.

И ако в теорията на струните намесим формулата на Айнщайн, че енергията, най-общо казано, е пропорционална на масата, то масата на една елементарна частица ще се определя от енергията на трептенията на нейната струна

Използвайки по-абстрактни разсъждения, физиците са открили, че има и други връзки между модът на струната и характеристиките на частиците, като например заряда или реакцията им на гравитацията и т.н. Освен това, същият принцип е валиден не само за свойствата на частиците, но също така и за самите частици. Фотоните, глуоните, мезоните и други екзотични частици са просто различни режими(модове) на трептенията на едни и същи струни. Струните могат да се делят и да се сливат, което изразява реакциите между елементарни частици.

В теорията на струните има затворена струна, съответстваща на безтегловната частица "гравитон", която пренася гравитационното взаимодействие.

Така, знаейки всички възможни модове на трептящата струна, "нотите", които може да се "изсвирят" на нея, можем да обясним всички свойства на всички елементарни частици.

 Струните могат да вибрират и различните модове на тези трептения от голямо разстояние ще ни изглеждат като различни елементарни частици. Един мод на вибрация ще накара струната да изглежда като фотон, друг - като електрон. Съществува даже мод на преносителя на гравитационното взаимодействие - гравитонът. Варианти на теорията на струните описват два вида струни: отворени (1) и затворени (2). Отворените струни имат два края (3), разположени на структури, подобни на мембрани, наречени D-брани (4) и тяхната динамика описва три от четирите фундаментални взаимодействия. Затворените струни не са свързани с D-браните и техните моди на вибрация представляват безмасовата частица гравитон. Краищата на откритите струни могат да се съединяват, образувайки затворена струна, която после пак да се разкъса, превръщайки се на отворена струна. Те могат да се съединяват и разцепват на две затворени струни (5) - така в теорията на струните гравитационните взаимодействия се обединяват с другите взаимодействия.

В ръцете на вселенския китарист

Ако разгледаме китарата от гледната точка на един китарист, конструкцията й позволява струните да се колебаят само в някои определени направления. Може да ударите по струните отгоре-надолу или отдолу-нагоре или да ги дръпнете напред. Ако струната е закрепена свободно между две произволни точки в 3-мерното пространство, броят на възможните посоки на трептене ще се увеличи. Ако имаме по-голям брой измерения от три ще се увеличили още броят на възможните посоки на трептене.

Ние сме ограничени в три измерения, но не и в струнната теория.

Още и още измерения

В началото теорията на струните изисква нашата Вселена да има минимум 10 измерения - 9 пространствени и едно времево. В следващия етап в развитието на теорията на струните - М-теорията - броят на измеренията е 11. Друга версия - F-теорията - описва 12-мерно пространство, но с по-прости уравнения от М-теорията. Измерения, които не може да видят или почувстват, не се приемат добре от учените и отдавна се смятат за територия на шарлатаните. Но тук случаят е друг.

Квантови клетки според М-теорията. Илюстрация: String Theories

Но къде са тези допълнителни, над привичните ни 3+1, измерения? Те са толкова малки, вероятно с дължината на Планк – около 10-35 м, че не могат нито да се видят, нито да се почувстват. Те са напълно невидими, не само за очите, но и за всички съвременни ускорители на частици.

Нашето описание на света не е достатъчно просто. Ако търсим истинската простота, броят на елементарните частици е прекалено голям. Не е ли възможно всички фермиони (частиците на материята) и бозоните (частиците на взаимодействията) да са различни лица на една и съща същност? Може ли да бъде, след като всички, че фермиони и бозони тях, притежаващи заедно са наистина различни лица на едно цяло? И така да се опрости картината на света.

Да си представим един куб. Ако го гледаме отгоре, изглежда като квадрат. Когато го гледаме откъм някой връх и затворим едното си око, прилича на шестоъгълник. Със едно завъртане кубът се трансформира от квадрат в шестоъгълник. Това е много странно превръщане за един двумерен наблюдател, но за нас, които имаме достъп до третото измерение е просто и очевидно. Това са трансформации, които свързват привидно несвързани неща.

Това, което изглежда като едномерна линия с две частици върху нея, подобни на точки, в действителност е тръба с две овални струни. Допълнителната размерност се свива и ние не подозираме, че то съществува, докато не узнаем за по-дълбоката структура на реалността. 

Пространството или многообразието на Калаби-Яу

За разлика от линията, показана в предишната схема, която представлява проста тръба, всяка точка от тази линия може всъщност да е многомерно пространство. Напречното сечение на едно от тях е показано вдясно. Представете си една структура като тази (но в повече размерности), закрепена към всяка точка от пространството.

Струнната теория влага във всяка точка на обичайното 4-мерно пространство по едно малко 6-(или 7 и повече според варианта струнна теория)- мерно  пространство, т.нар. пространство (*многообразие) на Калаби-Яу. В двумерна проекция подобни многообразия изглеждат нещо като картинката долу.

Многообразието е математическо понятие, обобщаващо за кое да е измерение понятията за линии, повърхности (а и пространства), не съдържащи особени точки (без точки на самопресичане, крайни точки и др.). За пример за едномерно многообразие може да служи правата, окръжността, елипсата и въобще всяка линия, чиито точки, заедно с околноста си от съседни точки са взаимно еднозначни и непрекъснати или, както казват в топологията, хомеоморфни на интервал. Под интервал се разбира в топологията вътрешната част от отсечка, без крайните 2 точки. Ще кажете, ако махнем крайните 2, ще останат други 2 крайни, но случаят, ако се замислим не е такъв. Ако имаме отсечка с крайни точки 0 и 1, кои ще са крайните точки на интервала й? 0.5? 0.001? 0.00000001? За "съседството" в топологията не се определят разстояния, те може да са безкрайно малки. Аналогично пример за двумерно многообразие е кръг, на който сме махнали крайната окръжност, а за тримерно - кълбо, на което сме одрали външната сфера.

Двумерна проекция на триизмерно многообразие на Калаби-Яу. Тази проекция дава представа за това колко сложно са организирани допълнителните измерения.

Изглежда, че М-теорията - струнната теория с 11 измерения - се доближава до отговора на един от основните въпроси на Стандартния модел - защо има три поколения частици? Отговорът изглежда е в симетрията на тръбите Калаби-Яу и е свързана с размерността на отворите в тези пространства, отвори, през които преминават струните. Тази симетрия е много по-сложна, отколкото всички досега срещани. Броят на поколенията на частиците е неразделно свързано с начина, по който е смачкано пространство-времето.

Проблемът е, че съществува огромно множество многообразия Калаби-Яу, повече от 470 милиона, създадени с помощта на компютър, които отговарят на изискванията на допълнителните измервания, произтичащи от теорията на струните. И засега е неясно, кое от тях трябва да се използва за описание на света , в който живеем. 

Изводи

Ако суперструнната теория е вярна, тогава:

1. Светът е много по-сложен, отколкото можем да си представим.

2. Във всяка точка от обичайното ни пространство, има 7-мерни смачкани топчета с размер 10-33 сантиметра.

3. Седеммерните пространства може да имат най-различни форми, те позволяват най-неочаквани разкъсвания, дупки, пробиви, сливания и връзки. Седеммерните пространства могат да се обръщат наопаки и да придобиват друга форма.

4. Всяко тяло в нашата вселена (камък, човек, Слънчевата система) едновременно се намират и в тези смачкани пространства.

Недоказуема ли е струнната теория

За съжаление, прякото наблюдаване на струните е далеч отвъд сегашните ни технологични възможности. Освен това богато разнообразие на струнни теории прави още по-трудна (но не и невъзможна) проверката, защото всяка от теориите има специфични уникални прогнози.

И все пак физиците в ЦЕРН могат да свържат теорията на струните с реалността - две открития, суперсиметрията и допълнителните пространствени измерения биха показали, че теорията на струните е на прав път.

Струнната теория и нейната усъвършенствана версия, М-теорията, имат невероятна мощ. Но много физици не я приемат, защото не вярват, че е възможно да получат преки доказателства.

Питър Аткинс (Peter Atkins), професор по физико-химия в Оксфорд, в книгата си The Ten Great Ideas of Science (Десет големи идеи на науката) предупреждава, че науката ще трябва да промени своя критерий за приемлимост. Това е свързано с кварките: нито един от кварките никога не е наблюдаван отделно и най-вероятно никога няма да бъде. Но ние сме все по-уверени в тяхното съществуване, защото от него произтичат много проверими факти. Тази е верификация чрез следствия, а не чрез експерименти, верификация по косвени доказателства, а не въз основа на пряк опит. "Може би е дошло времето, когато тази граница трябва да се прекрачи, но това е Рубикон на науката, който трябва да премине с повишено внимание" - отбелязва Аткинс.

Наскоро Джей Уакър (Jay Wacker), доктор по физика, на въпроса "Защо се твърди, че струнната теория е недоказуема?", отговори в Quora: "Хората казват, че теорията на струните е недоказуема, за да оправдаят постепенното спиране на финансирането на изследванията". Според него има поне два начина за доказването й - с експерименти в Големия адронен колайдер при енергии между 10 TeV (в сферата на вероятното в LHC) и 1016 TeV (което няма да е лесно да се осъществи директно).

Другият начин е теорията на струните да бъде доказана математически, показвайки, че Общата теория на относителността и квантовата механика имат единна по-обща рамка, която е теорията на струните. 

"В крайна сметка, "Теорията на струните е недоказуема" е просто невярно твърдение" - заявява ученият. - "Това е все едно някой да каже, че смятането е непознаваемо, защото не е отделил достатъчно време да го научи".

Музиката и науката

Готфрид Лайбниц, немският философ и математик, казва :„музиката е скритото математическо упражнение на душата, която не осъзнава, че изчислява“.

Красотата на струнната теория е връзката ѝ с музиката.

"Ако струнната теория е вярна, днес ние виждаме, че замисълът на Бог представлява космическа музика, звучаща в десетизмерно хиперпространство." - пише един от създателите на струнната теория Мичио Каку.

Връзката между музиката и науката е започнала около V в. пр. н. е., когато питагорейците забелязали, че издаваният от лирата тон съответства на дължината на струната. Ако дължината се удвои, тонът пада с цяла октава. Ако се скъси с две трети, тонът се качва с една пета. Така открили законите на музиката и хармонията и ги описали математически. Питагорейците били толкова доволни от получения резултат, че решили да приложат откритите от тях закони на хармонията към цялата Вселена, но се провалили, защото материята се оказала прекалено сложна.

Сега със струнната теория физиците като че ли отново се връщат към мечтата на питагорейците.

Източници:

String Theories

A Layman’s Guide To String Theory

The Ten Great Ideas of Science, Peter Atkins

Паралелни светове, Мичио Каку

Вселенная имеет смысл!, Дэвид Гросс, Алексей Семихатов, Брайън Грийн

Теория струн для "чайников"

Is String Theory Really Unprovable?

"Елегантната Вселена",Брайън Грийн


Препоръчани материали

Рейтинг :
11.04 2016 в 10:37 1
+ 1
- 0
М... да. Но, за да е музика, трябва и "тембър". Да се различават "инструментите", щото това е информация, начин за съвместно, устойчиво съществуване на образувание, на обект.
Тембър -http://valyaplamenova.wix.com/home#!article1/ctrv
Обратната връзка на образуваното от струни, зависи и от собствените честоти на "инструмента", а те - зависят от цялото им околно пространство - поне локално взето.
За външен наблюдател на такъв обект- обвивката от "гърченето на струните" е информация. Тя се реализира с много по-голяма честота (обвита форма), от честотата с която Изследовател наблюдава обекта..., докато се стигнат размери на обект, за наблюдаване в средните мащаби.
...
 
Още от : Физика

Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.