Teori superstring: apakah semua hal ada dalam 11 dimensi?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Anda mungkin pernah mendengar bahwa teori ilmiah paling populer di zaman kita, teori string, melibatkan lebih banyak dimensi daripada yang disarankan oleh akal sehat.

Masalah terbesar bagi fisikawan teoretis adalah bagaimana menggabungkan semua interaksi fundamental (gravitasi, elektromagnetik, lemah dan kuat) menjadi satu teori. Teori Superstring mengklaim sebagai Teori Segalanya.

Tetapi ternyata jumlah dimensi yang paling tepat yang diperlukan agar teori ini dapat bekerja adalah sepuluh (sembilan di antaranya bersifat spasial, dan satu bersifat sementara)! Jika ada lebih banyak atau lebih sedikit pengukuran, persamaan matematika memberikan hasil irasional yang menuju tak terhingga - singularitas.

Tahap selanjutnya dalam pengembangan teori superstring - teori-M - telah menghitung sebelas dimensi. Dan satu versi lagi - teori-F - semuanya dua belas. Dan ini sama sekali bukan komplikasi. Teori-F menjelaskan ruang 12-dimensi dengan persamaan yang lebih sederhana daripada teori-M - 11-dimensi.

Tentu saja, bukan tanpa alasan fisika teoretis disebut teoretis. Semua pencapaiannya selama ini hanya ada di atas kertas. Jadi, untuk menjelaskan mengapa kita hanya bisa bergerak di ruang tiga dimensi, para ilmuwan mulai berbicara tentang bagaimana dimensi lain yang malang harus menyusut menjadi bola kompak pada tingkat kuantum. Tepatnya, bukan ke dalam bola, tetapi ke dalam ruang Calabi-Yau. Ini adalah sosok tiga dimensi, di dalamnya dunia mereka sendiri dengan dimensinya sendiri. Proyeksi dua dimensi dari manifold tersebut terlihat seperti ini:

Lebih dari 470 juta patung seperti itu diketahui. Manakah dari mereka yang sesuai dengan realitas kita, saat ini sedang dihitung. Tidak mudah menjadi fisikawan teoretis.

Ya, sepertinya agak mengada-ada. Tapi mungkin inilah tepatnya yang menjelaskan mengapa dunia kuantum begitu berbeda dari apa yang kita rasakan.

Mari selami sedikit sejarah

Pada tahun 1968, fisikawan teoretis muda Gabriele Veneziano meneliti pemahaman berbagai karakteristik yang diamati secara eksperimental dari interaksi nuklir kuat. Veneziano, yang pada saat itu bekerja di CERN, Laboratorium Akselerator Eropa di Jenewa (Swiss), mengerjakan masalah ini selama beberapa tahun, sampai suatu hari dia dikejutkan oleh tebakan yang brilian. Sangat mengejutkan, ia menyadari bahwa rumus matematika yang eksotis, ditemukan sekitar dua ratus tahun sebelumnya oleh ahli matematika Swiss yang terkenal Leonard Euler untuk tujuan matematika murni - yang disebut fungsi beta Euler - tampaknya dapat menjelaskan dalam satu gerakan. banyak sifat partikel yang terlibat dalam gaya nuklir kuat. Properti yang dicatat oleh Veneziano memberikan deskripsi matematis yang kuat tentang banyak fitur interaksi yang kuat; itu memicu kesibukan pekerjaan di mana fungsi beta dan berbagai generalisasinya digunakan untuk menggambarkan sejumlah besar data yang terakumulasi dalam studi tumbukan partikel di seluruh dunia. Namun, dalam arti tertentu, pengamatan Veneziano tidak lengkap. Seperti rumus hafalan yang digunakan oleh seorang siswa yang tidak mengerti arti atau artinya, fungsi beta Euler bekerja, tetapi tidak ada yang mengerti mengapa. Itu adalah formula yang membutuhkan penjelasan.

Gabriele Veneziano

Ini berubah pada tahun 1970 ketika Yohiro Nambu dari Universitas Chicago, Holger Nielsen dari Institut Niels Bohr, dan Leonard Susskind dari Universitas Stanford mampu mengungkap makna fisik di balik rumus Euler. Fisikawan ini menunjukkan bahwa ketika partikel elementer diwakili oleh string satu dimensi kecil yang bergetar, interaksi kuat partikel-partikel ini dijelaskan dengan tepat menggunakan fungsi Euler. Jika segmen string cukup kecil, para peneliti ini beralasan, mereka akan tetap terlihat seperti partikel titik dan, oleh karena itu, tidak akan bertentangan dengan hasil pengamatan eksperimental. Meskipun teori ini sederhana dan menarik secara intuitif, segera ditunjukkan bahwa deskripsi interaksi yang kuat menggunakan string adalah cacat. Pada awal 1970-an. fisikawan energi tinggi telah mampu melihat lebih dalam ke dunia subatomik dan telah menunjukkan bahwa beberapa prediksi model string bertentangan langsung dengan pengamatan. Pada saat yang sama, perkembangan teori medan kuantum - kromodinamika kuantum - di mana model titik partikel digunakan, sedang berlangsung secara paralel. Keberhasilan teori ini dalam menggambarkan interaksi yang kuat menyebabkan ditinggalkannya teori string.

Sebagian besar fisikawan partikel percaya bahwa teori string selamanya berada di tempat sampah, tetapi sejumlah peneliti tetap setia pada teori itu. Schwartz, misalnya, merasa bahwa "struktur matematis teori string begitu indah dan memiliki begitu banyak sifat yang mencolok sehingga tidak diragukan lagi akan mengarah ke sesuatu yang lebih dalam."²). Salah satu masalah yang dihadapi fisikawan dengan teori string adalah bahwa teori itu tampaknya menawarkan terlalu banyak pilihan, yang membingungkan.

Beberapa konfigurasi string bergetar dalam teori ini memiliki sifat yang mirip dengan gluon, yang memberikan alasan untuk benar-benar menganggapnya sebagai teori interaksi kuat. Namun, selain itu, ia mengandung interaksi pembawa partikel tambahan, yang tidak ada hubungannya dengan manifestasi eksperimental dari interaksi yang kuat. Pada tahun 1974, Schwartz dan Joel Scherk dari Sekolah Pascasarjana Teknologi Prancis membuat asumsi berani yang mengubah kekurangan yang dirasakan ini menjadi suatu kebajikan. Setelah mempelajari mode getaran aneh dari string, yang mengingatkan pada partikel pembawa, mereka menyadari bahwa sifat-sifat ini secara mengejutkan bertepatan persis dengan sifat dugaan partikel pembawa hipotetis interaksi gravitasi - graviton. Meskipun "partikel kecil" interaksi gravitasi ini belum ditemukan, para ahli teori dapat dengan yakin memprediksi beberapa sifat dasar yang seharusnya dimiliki partikel-partikel ini. Scherk dan Schwartz menemukan bahwa karakteristik ini benar-benar diwujudkan untuk beberapa mode getaran. Berdasarkan hal ini, mereka berhipotesis bahwa kemunculan pertama teori string berakhir dengan kegagalan karena fisikawan terlalu mempersempit ruang lingkupnya. Sherk dan Schwartz mengumumkan bahwa teori string bukan hanya teori gaya kuat, ini adalah teori kuantum yang mencakup gravitasi, antara lain).

Komunitas fisik bereaksi terhadap asumsi ini dengan sikap yang sangat terkendali. Faktanya, seperti yang diingat Schwartz, "pekerjaan kami diabaikan oleh semua orang."⁴). Jalur kemajuan telah sepenuhnya dipenuhi dengan berbagai upaya gagal untuk menggabungkan gravitasi dan mekanika kuantum. Teori string gagal dalam upaya awalnya untuk menggambarkan interaksi yang kuat, dan banyak yang merasa tidak ada gunanya mencoba menggunakannya untuk mencapai tujuan yang lebih besar. Selanjutnya, studi yang lebih rinci pada akhir 1970-an dan awal 1980-an. menunjukkan bahwa antara teori string dan mekanika kuantum, kontradiksi mereka sendiri, meskipun dalam skala lebih kecil, muncul. Kesan adalah bahwa gaya gravitasi kembali mampu menahan upaya untuk membangunnya ke dalam deskripsi alam semesta pada tingkat mikroskopis.

Hal ini terjadi sampai tahun 1984. Dalam makalah penting mereka yang merangkum lebih dari satu dekade penelitian intensif yang sebagian besar diabaikan atau ditolak oleh sebagian besar fisikawan, Green dan Schwartz menemukan bahwa kontradiksi kecil dengan teori kuantum yang mengganggu teori string dapat diselesaikan. Selain itu, mereka menunjukkan bahwa teori yang dihasilkan cukup luas untuk mencakup keempat jenis interaksi dan semua jenis materi. Berita tentang hasil ini menyebar ke seluruh komunitas fisika: ratusan fisikawan partikel berhenti mengerjakan proyek mereka untuk mengambil bagian dalam apa yang tampak seperti pertempuran teoretis terakhir dalam serangan berabad-abad pada fondasi terdalam alam semesta.

Berita keberhasilan Green dan Schwartz akhirnya mencapai bahkan mahasiswa pascasarjana tahun pertama studi mereka, dan keputusasaan sebelumnya digantikan oleh rasa keterlibatan yang menggairahkan dalam titik balik dalam sejarah fisika. Banyak dari kita duduk jauh setelah tengah malam, mempelajari buku-buku tebal tentang fisika teoretis dan matematika abstrak, pengetahuan yang diperlukan untuk memahami teori string.

Namun, fisikawan teori string berulang kali mengalami hambatan serius di sepanjang jalan. Dalam fisika teoretis, Anda sering kali harus berurusan dengan persamaan yang terlalu rumit untuk dipahami atau sulit untuk dipecahkan. Biasanya dalam situasi seperti itu fisikawan tidak menyerah dan mencoba untuk mendapatkan solusi perkiraan dari persamaan ini. Keadaan dalam teori string jauh lebih rumit. Bahkan turunan dari persamaan-persamaan itu ternyata begitu rumit sehingga sejauh ini hanya mungkin untuk memperoleh bentuk perkiraannya saja. Dengan demikian, fisikawan yang bekerja dalam teori string menemukan diri mereka dalam situasi di mana mereka harus mencari solusi perkiraan untuk persamaan perkiraan. Setelah beberapa tahun mengalami kemajuan yang mencengangkan selama revolusi pertama dalam teori superstring, fisikawan dihadapkan pada fakta bahwa persamaan perkiraan yang digunakan tidak dapat memberikan jawaban yang benar untuk sejumlah pertanyaan penting, sehingga menghambat pengembangan penelitian lebih lanjut. Kurangnya ide-ide konkret untuk melampaui metode perkiraan ini, banyak fisikawan string mengalami frustrasi yang semakin besar dan kembali ke penelitian mereka sebelumnya. Bagi mereka yang tinggal, akhir 1980-an dan awal 1990-an. adalah periode pengujian.

Keindahan dan potensi kekuatan teori string memberi isyarat kepada para peneliti seperti harta karun emas yang terkunci dengan aman di brankas, hanya terlihat melalui lubang intip kecil, tetapi tidak ada yang memiliki kunci untuk melepaskan kekuatan yang tidak aktif ini. Periode "kekeringan" yang panjang dari waktu ke waktu terganggu oleh penemuan-penemuan penting, tetapi jelas bagi semua orang bahwa diperlukan metode baru yang memungkinkan seseorang melampaui solusi perkiraan yang sudah diketahui.

Akhir dari stagnasi datang dengan ceramah menakjubkan yang diberikan oleh Edward Witten pada Konferensi Teori String 1995 di University of Southern California - ceramah yang mengejutkan audiensi yang dipenuhi oleh fisikawan terkemuka dunia. Di dalamnya, ia mengungkapkan rencana untuk fase penelitian berikutnya, sehingga memulai "revolusi kedua dalam teori superstring." Sekarang ahli teori string dengan penuh semangat mengerjakan metode baru yang menjanjikan untuk mengatasi hambatan yang mereka temui.

Untuk mempopulerkan TS secara luas, umat manusia harus mendirikan monumen untuk profesor Universitas Columbia Brian Greene. Bukunya tahun 1999 Elegant Universe. Superstrings, Hidden Dimensions, dan Quest for the Ultimate Theory”menjadi buku terlaris dan menerima Hadiah Pulitzer. Karya ilmuwan membentuk dasar dari mini-seri sains populer dengan penulis sendiri sebagai pembawa acara - sebuah fragmen dapat dilihat di akhir materi (foto oleh Amy Sussman / Universitas Columbia).

dapat diklik 1700 px

Sekarang mari kita coba memahami esensi dari teori ini setidaknya sedikit

Mulai lagi. Dimensi nol adalah sebuah titik. Dia tidak memiliki dimensi. Tidak ada tempat untuk bergerak, tidak ada koordinat yang diperlukan untuk menunjukkan lokasi dalam dimensi seperti itu.

Mari kita letakkan yang kedua di sebelah titik pertama dan buat garis melaluinya. Berikut adalah dimensi pertama. Objek satu dimensi memiliki ukuran - panjang - tetapi tidak memiliki lebar atau kedalaman. Pergerakan dalam kerangka ruang satu dimensi sangat terbatas, karena rintangan yang muncul di jalan tidak dapat dihindari. Hanya perlu satu koordinat untuk menemukan di baris ini.

Mari kita beri titik di sebelah segmen. Agar sesuai dengan kedua objek ini, kita membutuhkan ruang dua dimensi yang memiliki panjang dan lebar, yaitu suatu luas, tetapi tanpa kedalaman, yaitu volume. Lokasi setiap titik di bidang ini ditentukan oleh dua koordinat.

Dimensi ketiga muncul ketika kita menambahkan sumbu koordinat ketiga ke sistem ini. Bagi kami, penghuni alam semesta tiga dimensi, sangat mudah membayangkan hal ini.

Mari kita coba bayangkan bagaimana penghuni ruang dua dimensi melihat dunia. Misalnya, inilah dua orang ini:

Masing-masing dari mereka akan melihat teman mereka seperti ini:

Tetapi dalam situasi ini:

Pahlawan kita akan melihat satu sama lain seperti ini:

Ini adalah perubahan sudut pandang yang memungkinkan pahlawan kita untuk menilai satu sama lain sebagai objek dua dimensi, dan bukan segmen satu dimensi.

Sekarang mari kita bayangkan bahwa objek volumetrik tertentu bergerak di dimensi ketiga, yang melintasi dunia dua dimensi ini. Untuk pengamat luar, gerakan ini akan diekspresikan dalam perubahan proyeksi dua dimensi dari suatu objek di pesawat, seperti brokoli di mesin MRI:

Tetapi bagi penduduk Flatland kami, gambaran seperti itu tidak dapat dipahami! Dia bahkan tidak bisa membayangkannya. Baginya, setiap proyeksi dua dimensi akan dilihat sebagai segmen satu dimensi dengan panjang variabel yang misterius, muncul di tempat yang tidak terduga dan juga menghilang secara tidak terduga. Upaya untuk menghitung panjang dan tempat asal benda-benda tersebut menggunakan hukum fisika ruang dua dimensi pasti akan gagal.

Kami, penghuni dunia tiga dimensi, melihat segala sesuatu sebagai dua dimensi. Hanya pergerakan suatu benda di ruang angkasa yang memungkinkan kita merasakan volumenya. Kita juga akan melihat objek multidimensi sebagai dua dimensi, tetapi itu akan berubah secara menakjubkan tergantung pada hubungan kita dengannya atau waktu.

Dari sudut pandang ini, menarik untuk memikirkan tentang gravitasi, misalnya. Semua orang mungkin pernah melihat gambar serupa:

Merupakan kebiasaan untuk menggambarkan pada mereka bagaimana gravitasi membengkokkan ruang-waktu. Tekuk … di mana? Tepatnya tidak ada dimensi yang kita kenal. Dan bagaimana dengan terowongan kuantum, yaitu kemampuan partikel untuk menghilang di satu tempat dan muncul di tempat yang sama sekali berbeda, terlebih lagi, di balik rintangan yang dalam realitas kita tidak dapat ditembus tanpa membuat lubang di dalamnya? Bagaimana dengan lubang hitam? Tetapi bagaimana jika semua ini dan misteri sains modern lainnya dijelaskan oleh fakta bahwa geometri ruang sama sekali tidak sama seperti yang biasa kita lihat?

Jam terus berdetak

Waktu menambahkan koordinat lain ke Alam Semesta kita. Agar pesta berlangsung, Anda perlu tahu tidak hanya di bar mana itu akan diadakan, tetapi juga waktu yang tepat dari acara ini.

Berdasarkan persepsi kita, waktu bukanlah garis lurus seperti sinar. Artinya, ia memiliki titik awal, dan gerakan itu dilakukan hanya dalam satu arah - dari masa lalu ke masa depan. Dan hanya saat ini yang nyata. Baik masa lalu maupun masa depan tidak ada, sama seperti tidak ada sarapan dan makan malam dari sudut pandang petugas kantor saat makan siang.

Tapi teori relativitas tidak setuju dengan ini. Dari sudut pandangnya, waktu adalah dimensi penuh. Semua peristiwa yang ada, ada, dan akan ada, senyata pantai laut itu nyata, tidak peduli di mana mimpi suara ombak mengejutkan kita. Persepsi kita hanyalah sesuatu seperti lampu sorot yang menerangi beberapa segmen pada garis waktu yang lurus. Kemanusiaan dalam dimensi keempatnya terlihat seperti ini:

Tapi kita hanya melihat proyeksi, sepotong dimensi ini pada setiap saat yang terpisah dalam waktu. Ya, seperti brokoli pada mesin MRI.

Sampai sekarang, semua teori telah bekerja dengan sejumlah besar dimensi spasial, dan temporal selalu menjadi satu-satunya. Tetapi mengapa ruang memungkinkan munculnya beberapa dimensi untuk ruang, tetapi hanya satu kali? Sampai para ilmuwan dapat menjawab pertanyaan ini, hipotesis dua atau lebih ruang waktu akan tampak sangat menarik bagi semua filsuf dan penulis fiksi ilmiah. Ya, dan fisikawan, apa yang sebenarnya ada di sana. Misalnya, astrofisikawan Amerika Yitzhak Bars melihat dimensi waktu kedua sebagai akar dari semua masalah dengan Teori Segalanya. Sebagai latihan mental, mari kita coba membayangkan dunia dengan dua kali.

Setiap dimensi ada secara terpisah. Ini dinyatakan dalam fakta bahwa jika kita mengubah koordinat suatu objek dalam satu dimensi, koordinat di dimensi lain dapat tetap tidak berubah. Jadi, jika Anda bergerak sepanjang satu sumbu waktu yang memotong yang lain dengan sudut siku-siku, maka pada titik persimpangan waktu sekitar akan berhenti. Dalam praktiknya, itu akan terlihat seperti ini:

Yang harus dilakukan Neo hanyalah memposisikan sumbu waktu satu dimensinya tegak lurus terhadap sumbu waktu peluru. Sepele belaka, setuju. Faktanya, semuanya jauh lebih rumit.

Waktu yang tepat di alam semesta dengan dua dimensi waktu akan ditentukan oleh dua nilai. Apakah sulit membayangkan peristiwa dua dimensi? Yaitu, yang memanjang secara bersamaan di sepanjang dua sumbu waktu? Kemungkinan dunia seperti itu akan membutuhkan spesialis dalam pemetaan waktu, karena kartografer memetakan permukaan dua dimensi dunia.

Apa lagi yang membedakan ruang dua dimensi dari ruang satu dimensi? Kemampuan untuk melewati rintangan, misalnya. Ini sudah benar-benar di luar batas pikiran kita. Penghuni dunia satu dimensi tidak dapat membayangkan bagaimana rasanya berbelok di tikungan. Dan apa ini - sudut waktu? Selain itu, dalam ruang dua dimensi, Anda dapat melakukan perjalanan ke depan, ke belakang, tetapi setidaknya secara diagonal. Saya tidak tahu bagaimana rasanya berjalan secara diagonal melalui waktu. Saya bahkan tidak berbicara tentang fakta bahwa waktu adalah dasar dari banyak hukum fisika, dan tidak mungkin membayangkan bagaimana fisika Semesta akan berubah dengan munculnya dimensi temporal lain. Tapi memikirkannya sangat mengasyikkan!

Ensiklopedia yang sangat besar

Dimensi lain belum ditemukan dan hanya ada dalam model matematika. Tapi Anda bisa mencoba membayangkan mereka seperti ini.

Seperti yang kita ketahui sebelumnya, kita melihat proyeksi tiga dimensi dari dimensi keempat (waktu) Semesta. Dengan kata lain, setiap momen keberadaan dunia kita adalah sebuah titik (mirip dengan dimensi nol) dalam interval waktu dari Big Bang hingga Akhir Dunia.

Anda yang telah membaca tentang perjalanan waktu tahu betapa pentingnya kelengkungan kontinum ruang-waktu bermain di dalamnya. Ini adalah dimensi kelima - di dalamnya ruang-waktu empat dimensi "dibengkokkan" untuk menyatukan beberapa dua titik pada garis lurus ini. Tanpa ini, perjalanan antara titik-titik ini akan terlalu lama, atau bahkan tidak mungkin. Secara kasar, dimensi kelima mirip dengan yang kedua - ia memindahkan garis ruang-waktu "satu dimensi" ke bidang "dua dimensi" dengan semua kemungkinan berikutnya untuk melingkari sudut.

Pembaca kami yang berpikiran filosofis sedikit lebih awal, mungkin, memikirkan kemungkinan kehendak bebas dalam kondisi di mana masa depan sudah ada, tetapi belum diketahui. Sains menjawab pertanyaan ini seperti ini: probabilitas. Masa depan bukanlah tongkat, tetapi sapu seluruh skenario yang mungkin. Yang mana yang akan menjadi kenyataan - kita akan mengetahuinya ketika kita sampai di sana.

Masing-masing probabilitas ada sebagai segmen "satu dimensi" pada "bidang" dimensi kelima. Apa cara tercepat untuk melompat dari satu segmen ke segmen lainnya? Itu benar - tekuk bidang ini seperti selembar kertas. Di mana harus membungkuk? Dan sekali lagi itu benar - di dimensi keenam, yang memberikan "volume" ke seluruh struktur kompleks ini. Dan, dengan demikian, menjadikannya, seperti ruang tiga dimensi, "selesai", sebuah titik baru.

Dimensi ketujuh adalah garis lurus baru, yang terdiri dari "titik" enam dimensi. Apa titik lain di baris ini? Seluruh rangkaian pilihan tak terbatas untuk perkembangan peristiwa di alam semesta lain, terbentuk bukan sebagai akibat dari Ledakan Besar, tetapi dalam kondisi yang berbeda, dan bertindak menurut hukum yang berbeda. Artinya, dimensi ketujuh adalah manik-manik dari dunia paralel. Dimensi kedelapan mengumpulkan "garis" ini menjadi satu "bidang". Dan yang kesembilan dapat dibandingkan dengan sebuah buku yang cocok dengan semua "lembaran" dari dimensi kedelapan. Ini adalah kumpulan dari semua sejarah semua alam semesta dengan semua hukum fisika dan semua kondisi awal. Titik lagi.

Di sini kita mengalami batas. Untuk membayangkan dimensi kesepuluh, kita membutuhkan garis lurus. Dan titik apa lagi yang bisa ada di garis ini, jika dimensi kesembilan sudah mencakup semua yang bisa dibayangkan, dan bahkan yang tidak mungkin dibayangkan? Ternyata dimensi kesembilan bukanlah titik awal yang lain, tetapi yang terakhir - untuk imajinasi kita, dalam hal apa pun.

Teori string menyatakan bahwa di dimensi kesepuluh string bergetar - partikel dasar yang membentuk segalanya. Jika dimensi kesepuluh berisi semua alam semesta dan semua kemungkinan, maka string ada di mana-mana dan sepanjang waktu. Maksud saya, setiap string ada di alam semesta kita, dan yang lainnya. Pada waktu tertentu. Langsung. Keren, ya?

Pada September 2013, Brian Green tiba di Moskow atas undangan Museum Politeknik. Fisikawan terkenal, ahli teori string, profesor di Universitas Columbia, ia dikenal masyarakat umum terutama sebagai pempopuler sains dan penulis buku "Elegant Universe". Lenta.ru berbicara dengan Brian Green tentang teori string dan tantangan baru-baru ini yang dihadapinya, serta gravitasi kuantum, amplitudo, dan kontrol sosial.