نظرية الأوتار الفائقة ، في اللغة الشعبية ، تمثل الكون كمجموعة من خيوط الطاقة المهتزة - الأوتار. هم أساس الطبيعة. تصف الفرضية أيضًا العناصر الأخرى - الأغشية. تتكون كل مادة في عالمنا من اهتزازات أوتار وأغشية. النتيجة الطبيعية للنظرية هي وصف الجاذبية. لهذا السبب يعتقد العلماء أنه يحمل مفتاح توحيد الجاذبية مع القوى الأخرى.
تطور المفهوم
نظرية المجال الموحد ، نظرية الأوتار الفائقة ، هي نظرية رياضية بحتة. مثل كل المفاهيم الفيزيائية ، فهو مبني على معادلات يمكن تفسيرها بطرق معينة.
اليوم لا أحد يعرف بالضبط ما ستكون عليه النسخة النهائية من هذه النظرية. لدى العلماء فكرة غامضة إلى حد ما عن عناصرها العامة ، لكن لم يتوصل أحد بعد إلى معادلة نهائية تغطي جميع نظريات الأوتار الفائقة ، وتجريبياً لم تتمكن بعد من تأكيدها (على الرغم من عدم دحضها أيضًا). ابتكر الفيزيائيون نسخًا مبسطة من المعادلة ، لكنها حتى الآن لا تصف كوننا تمامًا.
نظرية الأوتار الفائقة للمبتدئين
الفرضية مبنية على خمس أفكار رئيسية.
- نظرية الأوتار الفائقة تتنبأ بأن جميع الكائنات في عالمنا تتكون من خيوط مهتزة وأغشية للطاقة.
- تحاول الجمع بين النسبية العامة (الجاذبية) مع فيزياء الكم.
- ستوحد نظرية الأوتار الفائقة جميع القوى الأساسية للكون.
- تتنبأ هذه الفرضية باتصال جديد ، تناظر فائق ، بين نوعين مختلفين اختلافًا جوهريًا من الجسيمات ، البوزونات والفرميونات.
- يصف المفهوم عددًا من أبعاد الكون الإضافية التي لا يمكن ملاحظتها عادةً.
سلاسل وأغشية
عندما ظهرت النظرية في السبعينيات ، كانت خيوط الطاقة فيها تعتبر كائنات أحادية البعد - سلاسل. كلمة "أحادية البعد" تعني أن السلسلة لها بعد واحد فقط ، الطول ، على عكس ، على سبيل المثال ، المربع ، الذي له طول وارتفاع.
تقسم النظرية هذه الأوتار الفائقة إلى نوعين - مغلق ومفتوح. الخيط المفتوح له نهايات لا تلامس بعضها البعض ، بينما الخيط المغلق عبارة عن حلقة بدون نهايات مفتوحة. نتيجة لذلك ، وجد أن هذه السلاسل ، التي تسمى سلاسل من النوع الأول ، تخضع لخمسة أنواع رئيسية من التفاعلات.
تعتمد التفاعلات على قدرة السلسلة على الاتصال وفصل نهاياتها. نظرًا لأن نهايات الأوتار المفتوحة يمكن أن تتحد لتشكل أوتارًا مغلقة ، فمن المستحيل بناء نظرية الأوتار الفائقة التي لا تتضمن سلاسل معقودة.
اتضح أن هذا مهم ، لأن الأوتار المغلقة لها خصائص ، كما يعتقد الفيزيائيون ، يمكن أن تصف الجاذبية. بعبارة أخرى ، العلماءأدركت أن نظرية الأوتار الفائقة ، بدلاً من شرح جزيئات المادة ، يمكن أن تصف سلوكها وجاذبيتها.
بعد سنوات عديدة ، تم اكتشاف أنه بالإضافة إلى الأوتار ، هناك عناصر أخرى ضرورية للنظرية. يمكن اعتبارها على أنها صفائح أو أغشية. يمكن ربط الأوتار بجانب واحد أو كلا الجانبين.
الجاذبية الكمية
للفيزياء الحديثة قانونان علميان رئيسيان: النسبية العامة (GR) والكم. إنهم يمثلون مجالات علمية مختلفة تمامًا. تدرس فيزياء الكم أصغر الجسيمات الطبيعية ، وكقاعدة عامة ، تصف GR الطبيعة على مقياس الكواكب والمجرات والكون ككل. تسمى الفرضيات التي تحاول توحيدها بنظريات الجاذبية الكمية. أكثرهم واعدًا اليوم هو الوتر
الخيوط المغلقة تتوافق مع سلوك الجاذبية. على وجه الخصوص ، لديهم خصائص الجرافيتون ، وهو جسيم يحمل الجاذبية بين الأجسام.
توحيد الجهود
تحاول نظرية الأوتار دمج القوى الأربع - الكهرومغناطيسية ، والقوى النووية القوية والضعيفة ، والجاذبية - في قوة واحدة. في عالمنا ، يظهرون أنفسهم على أنهم أربع ظواهر مختلفة ، لكن منظري الأوتار يعتقدون أنه في الكون المبكر ، عندما كانت هناك مستويات عالية بشكل لا يصدق من الطاقة ، يتم وصف كل هذه القوى بواسطة أوتار تتفاعل مع بعضها البعض.
التناظر الفائق
يمكن تقسيم جميع الجسيمات في الكون إلى نوعين: البوزونات والفرميونات. نظرية الأوتاريتنبأ بوجود علاقة بينهما تسمى التناظر الفائق. في التناظر الفائق ، يجب أن يكون هناك فرميون لكل بوزون وبوزون لكل فرميون. لسوء الحظ ، لم يتم تأكيد وجود مثل هذه الجسيمات تجريبياً.
التناظر الفائق هو علاقة رياضية بين عناصر المعادلات الفيزيائية. تم اكتشافه في منطقة أخرى من الفيزياء ، وأدى تطبيقه إلى إعادة تسمية نظرية الأوتار فائقة التناظر (أو نظرية الأوتار الفائقة ، في لغة شعبية) في منتصف السبعينيات.
تتمثل إحدى مزايا التناظر الفائق في أنه يبسط المعادلات بشكل كبير من خلال السماح بحذف بعض المتغيرات. بدون التناظر الفائق ، تؤدي المعادلات إلى تناقضات فيزيائية مثل القيم اللانهائية ومستويات الطاقة التخيلية.
نظرًا لأن العلماء لم يلاحظوا الجسيمات التي تنبأ بها التناظر الفائق ، فإنها لا تزال فرضية. يعتقد العديد من الفيزيائيين أن السبب في ذلك هو الحاجة إلى كمية كبيرة من الطاقة ، والتي ترتبط بالكتلة بواسطة معادلة أينشتاين الشهيرة E=mc2. يمكن أن تكون هذه الجسيمات موجودة في الكون المبكر ، ولكن مع تبريدها وانتشار الطاقة بعد الانفجار العظيم ، انتقلت هذه الجسيمات إلى مستويات طاقة منخفضة.
بعبارة أخرى ، الأوتار التي تهتز كجسيمات عالية الطاقة تفقد طاقتها وتحولها إلى عناصر اهتزاز أقل.
يأمل العلماء أن تؤكد الملاحظات الفلكية أو التجارب باستخدام مسرعات الجسيمات النظرية من خلال الكشف عن بعض العناصر فائقة التناظر ذات قيمة أعلىالطاقة.
قياسات إضافية
نتيجة رياضية أخرى لنظرية الأوتار هي أنها منطقية في عالم به أكثر من ثلاثة أبعاد. يوجد حاليًا تفسيران لهذا:
- لقد انهارت الأبعاد الإضافية (ستة منها) ، أو ، في مصطلحات نظرية الأوتار ، تم ضغطها إلى أحجام صغيرة بشكل لا يصدق لن يتم إدراكها أبدًا.
- نحن عالقون في الغشاء ثلاثي الأبعاد والأبعاد الأخرى تتجاوزه ولا يمكننا الوصول إليها.
أحد أهم خطوط البحث بين المنظرين هو النمذجة الرياضية لكيفية ارتباط هذه الإحداثيات الإضافية بإحداثياتنا. تتوقع أحدث النتائج أن العلماء سيتمكنون قريبًا من اكتشاف هذه الأبعاد الإضافية (إن وجدت) في التجارب القادمة ، حيث قد تكون أكبر مما كان متوقعًا في السابق.
فهم الغرض
الهدف الذي يسعى العلماء لتحقيقه عند استكشاف الأوتار الفائقة هو "نظرية كل شيء" ، أي فرضية فيزيائية واحدة تصف الواقع المادي بأكمله على مستوى أساسي. إذا نجحت ، فقد توضح العديد من الأسئلة حول بنية كوننا.
شرح المادة والكتلة
إحدى المهام الرئيسية للبحث الحديث هي إيجاد حلول للجزيئات الحقيقية.
بدأت نظرية الأوتار كمفهوم يصف الجسيمات مثل الهادرونات في حالات اهتزازية مختلفة أعلى من الوتر. في معظم الصيغ الحديثة ، لوحظ الأمر فيالكون هو نتيجة اهتزازات الأوتار والأغشية ذات الطاقة الأقل. تولد الاهتزازات العالية جسيمات عالية الطاقة غير موجودة حاليًا في عالمنا.
كتلة هذه الجسيمات الأولية هي مظهر من مظاهر كيفية التفاف الخيوط والأغشية في أبعاد إضافية مضغوطة. على سبيل المثال ، في حالة مبسطة حيث يتم طيها في شكل دائري ، يسمى الطارة من قبل علماء الرياضيات والفيزيائيين ، يمكن لسلسلة أن تلف هذا الشكل بطريقتين:
- حلقة قصيرة عبر منتصف الطارة ؛
- حلقة طويلة حول المحيط الخارجي للحلقة بالكامل.
الحلقة القصيرة ستكون جسيمًا خفيفًا ، والحلقة الكبيرة ستكون ثقيلة. ينتج التفاف الأوتار حول الأبعاد المضغوطة الحلقي عناصر جديدة بكتل مختلفة.
نظرية الأوتار الفائقة تشرح بإيجاز ووضوح ، ببساطة وأناقة انتقال الطول إلى كتلة. الأبعاد المطوية هنا أكثر تعقيدًا بكثير من الحلقة ، لكنها من حيث المبدأ تعمل بنفس الطريقة.
من الممكن حتى ، على الرغم من صعوبة تخيلها ، أن يلتف الخيط حول الحلقة في اتجاهين في نفس الوقت ، مما ينتج عنه جسيم مختلف بكتلة مختلفة. يمكن للأغشية أيضًا أن تلف أبعادًا إضافية ، مما يخلق المزيد من الاحتمالات.
تحديد المكان والزمان
في العديد من إصدارات نظرية الأوتار الفائقة ، تنهار الأبعاد ، مما يجعلها غير قابلة للملاحظة في المستوى الحالي للتطور التكنولوجي.
حاليًا ليس من الواضح ما إذا كانت نظرية الأوتار يمكنها تفسير الطبيعة الأساسية للمكان والزمانأكثر مما فعل أينشتاين. في ذلك ، القياسات هي الخلفية لتفاعل الأوتار وليس لها معنى حقيقي مستقل.
تم تقديم تفسيرات ، ولم يتم تطويرها بشكل كامل ، فيما يتعلق بتمثيل الزمكان كمشتق من المجموع الكلي لجميع تفاعلات السلسلة.
هذا النهج لا يفي بأفكار بعض الفيزيائيين مما أدى إلى انتقاد الفرضية. تستخدم النظرية التنافسية للجاذبية الكمية الحلقية تكميم المكان والزمان كنقطة انطلاق. يعتقد البعض أنه سينتهي به الأمر إلى أن يكون مجرد نهج مختلف لنفس الفرضية الأساسية.
تكميم الجاذبية
الإنجاز الرئيسي لهذه الفرضية ، إذا تم تأكيدها ، سيكون نظرية الكم للجاذبية. الوصف الحالي للجاذبية في النسبية العامة لا يتوافق مع فيزياء الكم. هذا الأخير ، من خلال فرض قيود على سلوك الجسيمات الصغيرة ، يؤدي إلى تناقضات عند محاولة استكشاف الكون على نطاق صغير للغاية.
توحيد القوات
حاليًا ، يعرف الفيزيائيون أربع قوى أساسية: الجاذبية ، والتفاعلات الكهرومغناطيسية ، والتفاعلات النووية الضعيفة والقوية. ويترتب على نظرية الأوتار أنها كانت كلها مظاهر لواحد.
وفقًا لهذه الفرضية ، منذ أن برد الكون المبكر بعد الانفجار العظيم ، بدأ هذا التفاعل الفردي في الانقسام إلى تفاعلات مختلفة نشطة اليوم.
ستسمح لنا التجارب عالية الطاقة يومًا ما باكتشاف توحيد هذه القوى ، على الرغم من أن مثل هذه التجارب تتجاوز التطور الحالي للتكنولوجيا.
خمسة خيارات
بعد ثورة الأوتار الفائقة عام 1984 ، تم تنفيذ التطوير بوتيرة محمومة. نتيجة لذلك ، بدلاً من مفهوم واحد ، كان هناك خمسة أنواع مسماة I ، IIA ، IIB ، HO ، HE ، كل منها وصف عالمنا بالكامل تقريبًا ، ولكن ليس تمامًا.
الفيزيائيون ، الذين قاموا بفرز نسخ من نظرية الأوتار على أمل إيجاد صيغة حقيقية عالمية ، قاموا بإنشاء 5 إصدارات مختلفة مكتفية ذاتيا. تعكس بعض خصائصها الواقع المادي للعالم ، والبعض الآخر لا يتوافق مع الواقع.
نظرية M
في مؤتمر عام 1995 ، اقترح الفيزيائي إدوارد ويتن حلاً جريئًا لمشكلة الفرضيات الخمس. بناءً على الازدواجية المكتشفة حديثًا ، أصبحت جميعها حالات خاصة لمفهوم شامل واحد ، يُدعى نظرية Witten's M للأوتار الفائقة. كان أحد مفاهيمها الرئيسية هو الأغشية (اختصارًا للغشاء) ، وهي أشياء أساسية بأكثر من بُعد واحد. على الرغم من أن المؤلف لم يقدم نسخة كاملة ، وهي غير متوفرة بعد ، فإن نظرية M للأوتار الفائقة تتكون باختصار من الميزات التالية:
- 11 البعد (10 مكانية بالإضافة إلى البعد الزمني 1) ؛
- ثنائيات تؤدي إلى خمس نظريات تشرح نفس الواقع المادي ؛
- الأغشية عبارة عن أوتار بأكثر من بُعد.
النتائج
نتيجة لذلك ، بدلاً من واحد ، كان هناك 10500حل. بالنسبة لبعض الفيزيائيين ، تسبب هذا في أزمة ، بينما قبل البعض الآخر المبدأ الأنثروبي ، الذي يفسر خصائص الكون من خلال وجودنا فيه. يبقى أن نرى متى سيجد المنظرون آخرطريقة التوجه في نظرية الأوتار الفائقة
تشير بعض التفسيرات إلى أن عالمنا ليس العالم الوحيد. تسمح الإصدارات الأكثر تطرفاً بوجود عدد لا حصر له من الأكوان ، بعضها يحتوي على نسخ طبق الأصل من أكواننا.
تتنبأ نظرية أينشتاين بوجود فضاء ملفوف يسمى ثقب دودي أو جسر أينشتاين روزن. في هذه الحالة ، يرتبط موقعان بعيدان بممر قصير. لا تسمح نظرية الأوتار الفائقة بهذا فحسب ، بل تسمح أيضًا بالاتصال بالنقاط البعيدة للعوالم المتوازية. بل إنه من الممكن الانتقال بين الأكوان بقوانين الفيزياء المختلفة. ومع ذلك ، فمن المرجح أن نظرية الكم للجاذبية ستجعل وجودها مستحيلاً.
يعتقد العديد من الفيزيائيين أن المبدأ الهولوغرافي ، عندما تتوافق جميع المعلومات الموجودة في حجم الفضاء مع المعلومات المسجلة على سطحه ، سيسمح بفهم أعمق لمفهوم خيوط الطاقة.
يعتقد البعض أن نظرية الأوتار الفائقة تسمح بأبعاد متعددة من الوقت ، مما قد يؤدي إلى السفر خلالها.
بالإضافة إلى ذلك ، في إطار الفرضية ، هناك بديل لنموذج الانفجار العظيم ، والذي بموجبه ظهر كوننا نتيجة تصادم غشاءين ويمر بدورات متكررة من الخلق والدمار.
المصير النهائي للكون شغل علماء الفيزياء دائمًا ، وستساعد النسخة النهائية من نظرية الأوتار في تحديد كثافة المادة والثابت الكوني. بمعرفة هذه القيم ، يمكن لعلماء الكونيات تحديد ما إذا كان الكون سوف يفعل ذلكيتقلص حتى ينفجر ليبدأ من جديد.
لا أحد يعرف إلى أين يمكن أن تؤدي النظرية العلمية حتى يتم تطويرها واختبارها. لم يتوقع أينشتاين ، الذي كتب المعادلة E=mc2، أنها ستؤدي إلى ظهور أسلحة نووية. لم يعرف مبتكرو فيزياء الكم أنها ستصبح أساسًا لإنشاء الليزر والترانزستور. وعلى الرغم من عدم معرفة ما الذي سيؤدي إليه مثل هذا المفهوم النظري البحت ، إلا أن التاريخ يُظهر أن شيئًا رائعًا سيظهر بالتأكيد.
لمزيد من المعلومات حول هذا التخمين ، راجع Andrew Zimmerman's Superstring Theory for Dummies.
