ทฤษฎีสตริงฟิสิกส์ควอนตัม ทฤษฎีสตริงเป็นทฤษฎีรวมของทุกสิ่ง
นักฟิสิกส์คุ้นเคยกับการทำงานกับอนุภาค: ทฤษฎีได้รับการแก้ไขแล้ว, การทดลองมาบรรจบกัน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และ ระเบิดปรมาณูคำนวณโดยใช้อนุภาค มีข้อแม้ประการหนึ่ง - แรงโน้มถ่วงจะไม่ถูกนำมาพิจารณาในการคำนวณทั้งหมด
แรงโน้มถ่วงคือแรงดึงดูดของร่างกาย เมื่อเราพูดถึงแรงโน้มถ่วง เราจะจินตนาการถึงแรงโน้มถ่วง โทรศัพท์ตกลงจากมือของคุณไปบนพื้นยางมะตอยภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ในอวกาศ ดวงจันทร์ดึงดูดโลก และโลกดึงดูดดวงอาทิตย์ ทุกสิ่งในโลกถูกดึงดูดเข้าหากัน แต่เมื่อจะรู้สึกเช่นนี้ คุณต้องมีของหนักมาก เรารู้สึกถึงแรงโน้มถ่วงของโลกซึ่งหนักกว่าคน 7.5 × 10 22 เท่า และเราไม่สังเกตเห็นแรงโน้มถ่วงของตึกระฟ้าซึ่งหนักกว่า 4 × 10 6 เท่า
7.5×10 22 = 75,000,000,000,000,000,000,000
4×10 6 = 4,000,000
แรงโน้มถ่วงอธิบายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ในทางทฤษฎี วัตถุขนาดใหญ่โค้งงอพื้นที่ เพื่อทำความเข้าใจ ให้ไปที่สวนสาธารณะสำหรับเด็กแล้ววางหินหนักๆ บนแทรมโพลีน หลุมอุกกาบาตจะปรากฏขึ้นบนยางของแทรมโพลีน หากคุณวางลูกบอลเล็กๆ ไว้บนแทรมโพลีน ลูกบอลจะกลิ้งไปตามช่องทางเข้าหาหิน นี่เป็นวิธีที่ดาวเคราะห์ต่างๆ ก่อตัวเป็นกรวยในอวกาศ และเราก็เหมือนกับลูกบอลที่ตกลงไปบนพวกมัน
ดาวเคราะห์ที่มีมวลมากจนทำให้อวกาศบิดเบี้ยว
ในการอธิบายทุกสิ่งในระดับอนุภาคมูลฐาน ไม่จำเป็นต้องใช้แรงโน้มถ่วง เมื่อเปรียบเทียบกับแรงอื่นๆ แรงโน้มถ่วงมีขนาดเล็กมากจนถูกโยนออกจากการคำนวณควอนตัม แรงโน้มถ่วงของโลกนั้นน้อยกว่าแรงที่ยึดอนุภาคของนิวเคลียสของอะตอมถึง 38 เท่า นี่เป็นเรื่องจริงสำหรับเกือบทั้งจักรวาล
10 38 = 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000
ที่เดียวเท่านั้นโดยที่แรงโน้มถ่วงมีความรุนแรงพอๆ กับปฏิกิริยาอื่นๆ ภายในหลุมดำ นี่คือกรวยขนาดยักษ์ที่แรงโน้มถ่วงพับอวกาศและดึงดูดทุกสิ่งที่อยู่ใกล้เคียง แม้แต่แสงยังบินเข้าไปในหลุมดำและไม่มีวันกลับมาอีก
ในการทำงานกับแรงโน้มถ่วงเช่นเดียวกับอนุภาคอื่นๆ นักฟิสิกส์จึงได้แรงโน้มถ่วงควอนตัมขึ้นมา นั่นก็คือ กราวิตอน เราทำการคำนวณแต่ไม่ได้รวมกัน การคำนวณแสดงให้เห็นว่าพลังงานกราวิตอนเติบโตจนไม่มีที่สิ้นสุด แต่สิ่งนี้ไม่ควรเกิดขึ้น
นักฟิสิกส์คิดค้นสิ่งแรก แล้วจึงค้นหา ฮิกส์โบซอนถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อ 50 ปีก่อนการค้นพบ
ปัญหาเกี่ยวกับความแตกต่างในการคำนวณหายไปเมื่อกราวิตอนไม่ได้พิจารณาว่าเป็นอนุภาค แต่เป็นสตริง เชือกมีความยาวและพลังงานที่จำกัด ดังนั้นพลังงานของกราวิตอนจึงสามารถเติบโตได้จนถึงขีดจำกัดเท่านั้น ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงมีเครื่องมือที่ใช้ศึกษาหลุมดำได้
ความก้าวหน้าในการศึกษาหลุมดำช่วยให้เราเข้าใจว่าจักรวาลเกิดขึ้นได้อย่างไร ตามทฤษฎีบิกแบง โลกเติบโตจากกล้องจุลทรรศน์ ในช่วงแรกของชีวิต จักรวาลมีความหนาแน่นมาก - ดวงดาวและดาวเคราะห์สมัยใหม่ทั้งหมดรวมตัวกันเป็นปริมาตรเล็กน้อย แรงโน้มถ่วงมีพลังพอๆ กับแรงอื่นๆ ดังนั้นการรู้ผลของแรงโน้มถ่วงจึงเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจจักรวาลยุคแรกเริ่ม
ความสำเร็จในการอธิบายแรงโน้มถ่วงควอนตัมเป็นก้าวหนึ่งของการสร้างทฤษฎีที่จะอธิบายทุกสิ่งในโลก ทฤษฎีดังกล่าวจะอธิบายว่าจักรวาลถือกำเนิดขึ้นมาได้อย่างไร เกิดอะไรขึ้นในจักรวาลตอนนี้ และจุดจบของจักรวาลจะเป็นอย่างไร
ปัจจุบัน ทฤษฎีสตริงหลายเวอร์ชันถือเป็นคู่แข่งสำคัญของชื่อทฤษฎีสากลที่ครอบคลุมซึ่งอธิบายธรรมชาติของทุกสิ่ง และนี่คือจอกศักดิ์สิทธิ์ประเภทหนึ่งของนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีอนุภาคมูลฐานและจักรวาลวิทยา ทฤษฎีสากล (รวมถึงทฤษฎีของทุกสิ่งที่มีอยู่ด้วย) มีสมการเพียงไม่กี่สมการที่รวมเซตทั้งหมดเข้าด้วยกัน ความรู้ของมนุษย์เกี่ยวกับธรรมชาติของปฏิสัมพันธ์และคุณสมบัติขององค์ประกอบพื้นฐานของสสารที่จักรวาลถูกสร้างขึ้น
ในปัจจุบัน ทฤษฎีสตริงได้ถูกรวมเข้ากับแนวคิดเรื่องสมมาตรยิ่งยวด ส่งผลให้เกิดทฤษฎีสตริงที่เหนือชั้น และในปัจจุบันนี่คือจุดสูงสุดที่ทำได้สำเร็จในแง่ของการรวมทฤษฎีของการโต้ตอบพื้นฐานทั้งสี่เข้าด้วยกัน (แรงที่กระทำในธรรมชาติ) ทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดนั้นถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของนิรนัยแล้ว แนวคิดที่ทันสมัยตามการโต้ตอบระยะไกล (ภาคสนาม) ใดๆ ที่เกิดจากการแลกเปลี่ยนตัวพาอนุภาคของปฏิสัมพันธ์ประเภทที่สอดคล้องกันระหว่างอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์ (ดูแบบจำลองมาตรฐาน) เพื่อความชัดเจน อนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์ถือได้ว่าเป็น "อิฐ" ของจักรวาล และอนุภาคพาหะถือได้ว่าเป็นซีเมนต์
ทฤษฎีสตริงเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์คณิตศาสตร์ที่ศึกษาพลศาสตร์ไม่ใช่ของอนุภาคจุด เช่นเดียวกับสาขาฟิสิกส์ส่วนใหญ่ แต่เป็นของวัตถุขยายมิติเดียว เช่น สตริง
ภายในแบบจำลองมาตรฐาน ควาร์กทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบสำคัญ และเกจโบซอนซึ่งควาร์กเหล่านี้แลกเปลี่ยนระหว่างกัน ทำหน้าที่เป็นพาหะปฏิสัมพันธ์ ทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดไปไกลกว่านั้นและระบุว่าควาร์กและเลปตันนั้นไม่ใช่พื้นฐาน พวกมันทั้งหมดประกอบด้วยโครงสร้างสสาร (บล็อคก่อสร้าง) ที่หนักกว่าและไม่ได้ค้นพบจากการทดลอง ซึ่งยึดติดกันด้วย "ซีเมนต์" ที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้นของอนุภาคพลังงานมหาศาล - พาหะของปฏิกิริยามากกว่าควาร์กที่ประกอบด้วยแฮดรอนและโบซอน
โดยธรรมชาติแล้วยังไม่มีการทดสอบการทำนายทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดในสภาพห้องปฏิบัติการอย่างไรก็ตามส่วนประกอบที่ซ่อนอยู่ในสมมุติฐานของโลกวัตถุนั้นมีชื่ออยู่แล้ว - ตัวอย่างเช่นอิเล็กตรอน (หุ้นส่วนสมมาตรยิ่งยวดของอิเล็กตรอน) สควาร์ก ฯลฯ อย่างไรก็ตาม การมีอยู่ของอนุภาคเหล่านี้เป็นไปตามทฤษฎีที่คาดการณ์ไว้อย่างไม่คลุมเครือ
อย่างไรก็ตาม ภาพของจักรวาลที่นำเสนอโดยทฤษฎีเหล่านี้นั้นค่อนข้างง่ายต่อการมองเห็น ในระดับประมาณ 10E–35 m นั่นคือ 20 ลำดับความสำคัญที่เล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอนเดียวกัน ซึ่งรวมถึงควาร์กที่ถูกผูกไว้สามตัว โครงสร้างของสสารแตกต่างจากสิ่งที่เราคุ้นเคยแม้จะอยู่ในระดับอนุภาคมูลฐานก็ตาม . ในระยะห่างที่น้อยเช่นนี้ (และที่ปฏิสัมพันธ์พลังงานสูงจนไม่อาจจินตนาการได้) สสารก็จะกลายเป็นคลื่นนิ่งชุดหนึ่ง คล้ายกับคลื่นที่ตื่นเต้นกับสายเครื่องดนตรี เช่นเดียวกับสายกีตาร์ ในสายดังกล่าว นอกเหนือจากโทนเสียงพื้นฐานแล้ว ยังสามารถตื่นเต้นกับโอเวอร์โทนหรือฮาร์โมนิกต่างๆ ได้ ฮาร์มอนิกแต่ละตัวมีสถานะพลังงานของตัวเอง ตามหลักการสัมพัทธภาพ (ดูทฤษฎีสัมพัทธภาพ) พลังงานและมวลมีความเท่าเทียมกัน ซึ่งหมายความว่า ยิ่งความถี่ของการสั่นของคลื่นฮาร์มอนิกของสตริงสูง พลังงานก็จะยิ่งสูงขึ้น และมวลของอนุภาคที่สังเกตได้ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น
อย่างไรก็ตาม ถ้ามันค่อนข้างง่ายที่จะเห็นภาพคลื่นนิ่งในสายกีตาร์ คลื่นยืนซึ่งเสนอโดยทฤษฎีสายเหนือเป็นเรื่องยากที่จะเห็นภาพ - ความจริงก็คือการสั่นสะเทือนของสายเหนือเกิดขึ้นในอวกาศที่มี 11 มิติ เราคุ้นเคยกับอวกาศสี่มิติซึ่งประกอบด้วยมิติเชิงพื้นที่สามมิติและมิติชั่วคราวหนึ่งมิติ (ซ้าย-ขวา ขึ้น-ลง ไปข้างหน้า-ถอยหลัง อดีต-อนาคต) ในพื้นที่ซูเปอร์สตริง สิ่งต่างๆ จะซับซ้อนกว่ามาก (ดูกล่อง) นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแก้ไขปัญหาลื่นของมิติเชิงพื้นที่ "พิเศษ" โดยการโต้แย้งว่ามิติเหล่านั้น "ถูกซ่อน" (หรือ ภาษาวิทยาศาสตร์เพื่อทำให้มัน "กะทัดรัด") และดังนั้นจึงไม่ถูกสังเกตด้วยพลังงานธรรมดา
เมื่อเร็วๆ นี้ ทฤษฎีสตริงได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมในรูปแบบของทฤษฎีของเมมเบรนหลายมิติ โดยพื้นฐานแล้ว สิ่งเหล่านี้เป็นสตริงเดียวกัน แต่เป็นแบน ดังที่ผู้เขียนคนหนึ่งล้อเล่นว่า เยื่อต่างจากเชือกในลักษณะเดียวกับที่บะหมี่แตกต่างจากวุ้นเส้น
บางที นี่อาจเป็นทั้งหมดที่สามารถบอกสั้น ๆ เกี่ยวกับทฤษฎีหนึ่งที่ในปัจจุบันอ้างว่าเป็นทฤษฎีสากลของการรวมกันอันยิ่งใหญ่ของปฏิกิริยาระหว่างกำลังทั้งหมด โดยไม่มีเหตุผล อนิจจา ทฤษฎีนี้ไม่ได้ปราศจากบาป ประการแรกยังไม่ได้ถูกนำเข้าสู่รูปแบบทางคณิตศาสตร์ที่เข้มงวดเนื่องจากอุปกรณ์ทางคณิตศาสตร์ไม่เพียงพอที่จะนำมาสู่การติดต่อภายในที่เข้มงวด เวลาผ่านไป 20 ปีแล้วนับตั้งแต่ทฤษฎีนี้ถือกำเนิดขึ้น และไม่มีใครสามารถประสานแง่มุมและเวอร์ชันบางอย่างของมันกับผู้อื่นได้อย่างสม่ำเสมอ สิ่งที่ไม่พึงประสงค์ยิ่งกว่านั้นคือไม่มีนักทฤษฎีคนใดที่เสนอทฤษฎีสตริง (และโดยเฉพาะอย่างยิ่งสตริงที่เหนือชั้น) ยังไม่ได้เสนอการทดลองเพียงครั้งเดียวซึ่งสามารถทดสอบทฤษฎีเหล่านี้ในห้องปฏิบัติการได้ อนิจจา ฉันเกรงว่าจนกว่าพวกเขาจะทำเช่นนี้ งานทั้งหมดของพวกเขาจะยังคงเป็นเกมแฟนตาซีที่แปลกประหลาดและแบบฝึกหัดในการทำความเข้าใจความรู้ลึกลับที่อยู่นอกกระแสหลักของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ
ศึกษาคุณสมบัติของหลุมดำ
ในปี 1996 นักทฤษฎีสตริง Andrew Strominger และ Kumrun Vafa ได้สร้างผลงานก่อนหน้านี้โดย Susskind และ Sen เพื่อตีพิมพ์ "The Microscopic Nature of Bekenstein and Hawking Entropy" ในงานนี้ สตรอมมิงเงอร์และวาฟาสามารถใช้ทฤษฎีสตริงเพื่อค้นหาองค์ประกอบระดับจุลภาคของหลุมดำบางประเภท และคำนวณการมีส่วนร่วมของเอนโทรปีขององค์ประกอบเหล่านี้ได้อย่างแม่นยำ งานนี้มีพื้นฐานมาจากวิธีการใหม่ที่นอกเหนือไปจากทฤษฎีการก่อกวนที่ใช้ในทศวรรษ 1980 และต้นทศวรรษ 1990 ผลลัพธ์ของงานใกล้เคียงกับคำทำนายของ Bekenstein และ Hawking ที่ทำไว้เมื่อกว่ายี่สิบปีก่อนหน้านี้
สโตรมิงเจอร์และวาฟาคัดค้านกระบวนการที่แท้จริงของการก่อตัวของหลุมดำด้วยแนวทางที่สร้างสรรค์ พวกเขาเปลี่ยนมุมมองของการก่อตัวของหลุมดำ โดยแสดงให้เห็นว่าพวกมันสามารถถูกสร้างขึ้นได้โดยการประกอบอย่างอุตสาหะเป็นกลไกเดียวซึ่งเป็นชุดของรำข้าวเดียวกับที่ค้นพบระหว่างการปฏิวัติซูเปอร์สตริงครั้งที่สอง
ด้วยการควบคุมทั้งหมดบนโครงสร้างจุลทรรศน์ของหลุมดำ สโตรมิงเจอร์และวาฟาสามารถคำนวณจำนวนการเรียงสับเปลี่ยนของส่วนประกอบระดับจุลภาคของหลุมดำ ซึ่งจะทำให้ลักษณะเฉพาะที่สังเกตได้โดยรวม เช่น มวลและประจุ ไม่เปลี่ยนแปลง จากนั้นพวกเขาเปรียบเทียบจำนวนผลลัพธ์กับพื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ - เอนโทรปีที่ทำนายโดยเบเกนสไตน์และฮอว์คิง - และพบข้อตกลงที่สมบูรณ์แบบ อย่างน้อยที่สุดสำหรับประเภทของหลุมดำสุดขั้ว สโตรมิงเงอร์และวาฟาสามารถค้นพบการประยุกต์ใช้ทฤษฎีสตริงเพื่อวิเคราะห์ส่วนประกอบด้วยกล้องจุลทรรศน์และคำนวณเอนโทรปีที่เกี่ยวข้องได้อย่างแม่นยำ ปัญหาที่นักฟิสิกส์เผชิญมาเป็นเวลาหนึ่งในสี่ของศตวรรษได้รับการแก้ไขแล้ว
สำหรับนักทฤษฎีหลายคน การค้นพบนี้มีความสำคัญและ ข้อโต้แย้งที่น่าเชื่อเพื่อสนับสนุนทฤษฎีสตริง การพัฒนาทฤษฎีสตริงยังหยาบเกินไปสำหรับการเปรียบเทียบโดยตรงและแม่นยำกับผลการทดลอง เช่น การวัดมวลของควาร์กหรืออิเล็กตรอน อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีสตริงเป็นคำอธิบายพื้นฐานประการแรกสำหรับคุณสมบัติของหลุมดำที่ค้นพบมายาวนาน ความเป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายได้ ซึ่งทำให้การวิจัยของนักฟิสิกส์ที่ทำงานกับทฤษฎีดั้งเดิมต้องหยุดชะงักมาหลายปี แม้แต่เชลดอน กลาโชว์ รางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์และผู้ต่อต้านทฤษฎีสตริงอย่างแข็งขันในช่วงทศวรรษปี 1980 ยอมรับในการให้สัมภาษณ์ในปี 1997 ว่า “เมื่อนักทฤษฎีสตริงพูดถึงหลุมดำ พวกเขาเกือบจะพูดถึงปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ และนี่เป็นสิ่งที่น่าประทับใจ”
จักรวาลวิทยาสตริง
มีสามวิธีหลักที่ทฤษฎีสตริงปรับเปลี่ยนแบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐาน ประการแรก ด้วยจิตวิญญาณของการวิจัยสมัยใหม่ ซึ่งทำให้สถานการณ์กระจ่างขึ้นมากขึ้น ตามทฤษฎีสตริงที่ว่า จักรวาลจะต้องมีขนาดต่ำสุดที่ยอมรับได้ ข้อสรุปนี้เปลี่ยนความเข้าใจในโครงสร้างของจักรวาลทันทีที่เกิดบิกแบง ซึ่งแบบจำลองมาตรฐานทำให้จักรวาลมีขนาดเป็นศูนย์ ประการที่สอง แนวคิดเรื่อง T-duality ซึ่งก็คือความเป็นคู่ของรัศมีเล็กและใหญ่ (โดยเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับการมีอยู่ของขนาดขั้นต่ำ) ในทฤษฎีสตริง ก็มีความสำคัญในจักรวาลวิทยาเช่นกัน ประการที่สาม จำนวนมิติกาล-อวกาศในทฤษฎีสตริงมีมากกว่าสี่ ดังนั้นจักรวาลวิทยาจึงต้องอธิบายวิวัฒนาการของมิติทั้งหมดนี้
แบบจำลองของบรันเดนเบิร์กและวาฟา
ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 Robert Brandenberger และ Kumrun Vafa เป็นคนแรก ขั้นตอนสำคัญเพื่อทำความเข้าใจว่าการเปลี่ยนแปลงในผลที่ตามมาของแบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐานจะเป็นผลมาจากการใช้ทฤษฎีสตริง พวกเขาได้ข้อสรุปที่สำคัญสองประการ ประการแรก เมื่อเราเดินทางกลับไปยังบิ๊กแบง อุณหภูมิจะสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งขนาดของจักรวาลในทุกทิศทางจะเท่ากับความยาวของพลังค์ เมื่อถึงจุดนี้ อุณหภูมิจะถึงจุดสูงสุดและเริ่มลดลง ในระดับสัญชาตญาณ ไม่ยากที่จะเข้าใจสาเหตุของปรากฏการณ์นี้ ให้เราสมมติเพื่อความเรียบง่าย (ตาม Brandenberger และ Vafa) ว่ามิติเชิงพื้นที่ทั้งหมดของจักรวาลเป็นแบบวงกลม เมื่อเราเคลื่อนที่ย้อนเวลา รัศมีของแต่ละวงกลมจะลดลง และอุณหภูมิของจักรวาลจะเพิ่มขึ้น จากทฤษฎีสตริง เรารู้ว่าการหดตัวรัศมีก่อนแล้วจึงต่ำกว่าความยาวของพลังค์จะเทียบเท่ากับการลดรัศมีให้เหลือความยาวของพลังค์ แล้วตามด้วยการเพิ่มขึ้นในภายหลัง เนื่องจากอุณหภูมิลดลงในระหว่างการขยายตัวของจักรวาล ความพยายามที่จะบีบอัดจักรวาลให้มีขนาดที่เล็กกว่าความยาวของพลังค์ที่ไม่ประสบผลสำเร็จจะนำไปสู่การหยุดการเติบโตของอุณหภูมิและลดลงอีก
ด้วยเหตุนี้ บรันเดนแบร์เกอร์และวาฟาจึงได้ภาพทางจักรวาลวิทยาดังต่อไปนี้ ในตอนแรก มิติเชิงพื้นที่ทั้งหมดในทฤษฎีสตริงจะขดกันแน่นจนเป็น ขนาดขั้นต่ำตามลำดับความยาวพลังค์ อุณหภูมิและพลังงานอยู่ในระดับสูง แต่ไม่มีที่สิ้นสุด: ความขัดแย้งของจุดเริ่มต้นที่มีขนาดเป็นศูนย์ในทฤษฎีสตริงได้รับการแก้ไขแล้ว ในช่วงเริ่มต้นของการดำรงอยู่ของจักรวาล มิติเชิงพื้นที่ทั้งหมดของทฤษฎีสตริงมีความเท่าเทียมกันโดยสมบูรณ์และสมมาตรโดยสมบูรณ์ พวกมันทั้งหมดขดตัวเป็นก้อนมิติพลังค์หลายมิติ นอกจากนี้ ตามข้อมูลของ Brandenberger และ Vafa จักรวาลจะผ่านขั้นตอนแรกของการลดความสมมาตร เมื่อ ณ ช่วงเวลาพลังค์ มิติเชิงพื้นที่ทั้งสามถูกเลือกสำหรับการขยายในภายหลัง และส่วนที่เหลือยังคงขนาดพลังค์ดั้งเดิมไว้ จากนั้นมิติทั้งสามนี้จะถูกระบุด้วยมิติในสถานการณ์จักรวาลวิทยาที่พองตัว และผ่านกระบวนการวิวัฒนาการ จึงมีรูปแบบที่สังเกตได้ในปัจจุบัน
โมเดลเวเนเซียโน่และกัสเปรินี
นับตั้งแต่งานของ Brandenberger และ Vafa นักฟิสิกส์มีความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในการทำความเข้าใจจักรวาลวิทยาสตริง ในบรรดาผู้นำการวิจัยครั้งนี้ ได้แก่ Gabriele Veneziano และเพื่อนร่วมงานของเขา Maurizio Gasperini จากมหาวิทยาลัย Turin นักวิทยาศาสตร์เหล่านี้นำเสนอจักรวาลวิทยาสตริงในเวอร์ชันของตนเอง ซึ่งในบางสถานที่คล้ายกับสถานการณ์ที่อธิบายไว้ข้างต้น แต่ในที่อื่นโดยพื้นฐานแล้วแตกต่างไปจากนี้ เช่นเดียวกับบรันเดนแบร์เกอร์และวาฟา ที่จะแยกแยะอุณหภูมิและความหนาแน่นของพลังงานอันไม่สิ้นสุดที่เกิดขึ้นในแบบจำลองมาตรฐานและแบบจำลองการพองตัว พวกเขาอาศัยการมีอยู่ของความยาวขั้นต่ำในทฤษฎีสตริง อย่างไรก็ตาม แทนที่จะสรุปว่าเนื่องจากคุณสมบัตินี้ จักรวาลจึงถือกำเนิดจากมิติพลังค์ก้อนหนึ่ง กัสเปรินีและเวเนเซียโนเสนอแนะว่ามีจักรวาลยุคก่อนประวัติศาสตร์ซึ่งเกิดขึ้นนานก่อนช่วงเวลาที่เรียกว่าจุดศูนย์ และซึ่งให้กำเนิดสิ่งนี้ “เอ็มบริโอ” จักรวาลของมิติพลังค์
สถานะเริ่มต้นของจักรวาลในสถานการณ์นี้และในแบบจำลองบิกแบงนั้นแตกต่างกันมาก ตามที่กัสเปรินีและเวเนเซียโนกล่าวไว้ จักรวาลไม่ใช่ลูกบอลมิติที่ร้อนและบิดเบี้ยวอย่างแน่นหนา แต่เย็นและมีขอบเขตอันไม่มีที่สิ้นสุด จากนั้นดังต่อไปนี้จากสมการของทฤษฎีสตริงความไม่แน่นอนบุกจักรวาลและจุดทั้งหมดของมันเริ่มต้นขึ้นในยุคของเงินเฟ้อตาม Guth เพื่อกระจายไปด้านข้างอย่างรวดเร็ว
กัสเปรินีและเวเนเซียโนแสดงให้เห็นว่าด้วยเหตุนี้ อวกาศจึงโค้งงอมากขึ้น และส่งผลให้อุณหภูมิและความหนาแน่นของพลังงานพุ่งสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว เวลาผ่านไปเพียงเล็กน้อย และพื้นที่สามมิติขนาดมิลลิเมตรภายในพื้นที่อันไม่มีที่สิ้นสุดเหล่านี้ก็กลายเป็นจุดที่ร้อนและหนาแน่น เหมือนกับจุดที่ก่อตัวขึ้นระหว่างการขยายตัวแบบขยายตัวตามข้อมูลของ Guth จากนั้นทุกอย่างก็เป็นไปตามสถานการณ์มาตรฐานของจักรวาลวิทยาบิ๊กแบง และจุดที่ขยายตัวก็กลายเป็นจักรวาลที่สังเกตได้
เนื่องจากยุคก่อนบิกแบงกำลังอยู่ในช่วงขยายตัวอย่างรวดเร็ว วิธีแก้ปัญหาเส้นขอบฟ้าของกัธจึงถูกสร้างขึ้นในสถานการณ์จักรวาลวิทยานี้โดยอัตโนมัติ ดังที่ Veneziano กล่าวไว้ (ในการให้สัมภาษณ์ในปี 1998) “ทฤษฎีสตริงส่งแบบจำลองจักรวาลวิทยาที่พองตัวมาให้เราบนจานเงิน”
การศึกษาจักรวาลวิทยาสตริงกำลังกลายเป็นพื้นที่ของการวิจัยเชิงรุกและมีประสิทธิผลอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่น สถานการณ์วิวัฒนาการก่อนบิ๊กแบงเป็นหัวข้อถกเถียงอย่างเผ็ดร้อนมากกว่าหนึ่งครั้ง และตำแหน่งของมันในการกำหนดสูตรทางจักรวาลวิทยาในอนาคตยังไม่ชัดเจน อย่างไรก็ตาม ไม่ต้องสงสัยเลยว่าสูตรทางจักรวาลวิทยานี้จะขึ้นอยู่กับความเข้าใจของนักฟิสิกส์เกี่ยวกับผลลัพธ์ที่ค้นพบระหว่างการปฏิวัติซูเปอร์สตริงครั้งที่สอง ตัวอย่างเช่น ผลที่ตามมาทางจักรวาลของการมีอยู่ของเยื่อหุ้มหลายมิติยังไม่ชัดเจน กล่าวอีกนัยหนึ่งความคิดเกี่ยวกับช่วงเวลาแรกของการดำรงอยู่ของจักรวาลจะเปลี่ยนไปอย่างไรอันเป็นผลมาจากการวิเคราะห์ทฤษฎี M ที่เสร็จสมบูรณ์ ปัญหานี้อยู่ระหว่างการวิจัยอย่างเข้มข้น
วลีบทกวีที่สวยงาม "ทฤษฎีสตริง" ตั้งชื่อทิศทางหนึ่งในฟิสิกส์เชิงทฤษฎีโดยผสมผสานแนวคิดของทฤษฎีสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัม ทิศนี้นักฟิสิกส์ศึกษาสตริงควอนตัม - นั่นคือวัตถุขยายหนึ่งมิติ นี่คือความแตกต่างหลักจากสาขาฟิสิกส์อื่นๆ มากมายที่มีการศึกษาพลศาสตร์ของอนุภาคจุด
แก่นแท้ของทฤษฎีสตริงปฏิเสธและยืนยันว่าจักรวาลมีอยู่จริงเสมอ นั่นคือ จักรวาลไม่ใช่จุดที่เล็กที่สุด แต่เป็นเส้นเชือกที่มีความยาวไม่มาก ในขณะที่ทฤษฎีสตริงระบุว่าเราอาศัยอยู่ในอวกาศสิบมิติ แม้ว่าเราจะรู้สึกว่ามีเพียง 3-4 เท่านั้นก็ตาม ส่วนที่เหลืออยู่ในสภาพพังทลาย และหากคุณตัดสินใจที่จะถามคำถามว่า “สิ่งเหล่านี้จะเผยออกมาเมื่อใด และสิ่งนี้จะเกิดขึ้นตลอดไปหรือไม่” คุณจะไม่ได้รับคำตอบ
คณิตศาสตร์ไม่พบมัน - ทฤษฎีสตริงไม่สามารถพิสูจน์ได้จากการทดลอง จริงอยู่ มีความพยายามพัฒนาทฤษฎีสากลเพื่อจะทดสอบได้จริง. แต่เพื่อให้สิ่งนี้เกิดขึ้น จะต้องทำให้ง่ายขึ้นจนไปถึงระดับการรับรู้ความเป็นจริงของเรา จากนั้นความคิดในการตรวจสอบก็ไร้ความหมายโดยสิ้นเชิง
เกณฑ์พื้นฐานและแนวคิดของทฤษฎีสตริง
ทฤษฎีสัมพัทธภาพบอกว่าจักรวาลของเราคือระนาบและ กลศาสตร์ควอนตัมกล่าวว่าในระดับจุลภาคมีการเคลื่อนไหวไม่มีที่สิ้นสุดเนื่องจากพื้นที่โค้ง และทฤษฎีสตริงพยายามรวมสมมติฐานทั้งสองนี้เข้าด้วยกัน และเป็นไปตามนั้น อนุภาคมูลฐานนำเสนอในรูปแบบของส่วนประกอบพิเศษในองค์ประกอบของแต่ละอะตอม - สายดั้งเดิมซึ่งเป็นเส้นใยอัลตร้าไมโครสโคปชนิดหนึ่ง ในกรณีนี้ อนุภาคมูลฐานมีคุณสมบัติที่อธิบายการสั่นสะเทือนแบบเรโซแนนซ์ของเส้นใยที่ก่อตัวเป็นอนุภาคเหล่านี้ เส้นใยประเภทนี้ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนในปริมาณที่ไม่สิ้นสุด
เพื่อความเข้าใจในสาระสำคัญที่แม่นยำยิ่งขึ้น คนธรรมดา ๆ ก็สามารถจินตนาการถึงสายของเครื่องดนตรีธรรมดา ๆ ที่สามารถจินตนาการได้ เวลาที่แตกต่างกันยืดตัว ม้วนตัวสำเร็จ สั่นอย่างต่อเนื่อง เธรดที่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันภายใต้การสั่นสะเทือนบางอย่างจะมีคุณสมบัติเหมือนกัน
โดยการพับเป็นลูปมาตรฐาน เกลียวจะสร้างอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้น เช่น ควาร์ก อิเล็กตรอน ซึ่งมวลจะขึ้นอยู่กับระดับความตึงและความถี่การสั่นสะเทือนของเส้นใยโดยตรง ดังนั้นพลังงานของเส้นเชือกจึงสัมพันธ์กับเกณฑ์เหล่านี้อย่างแม่นยำ มวลของอนุภาคมูลฐานจะสูงขึ้นเมื่อปล่อยพลังงานออกมามากขึ้น
ประเด็นปัจจุบันในทฤษฎีสตริง
ในขณะที่ศึกษาทฤษฎีสตริง นักวิทยาศาสตร์จากหลายประเทศประสบปัญหาและคำถามที่ไม่สามารถแก้ไขได้เป็นระยะๆ จุดที่สำคัญที่สุดถือได้ว่าเป็นการขาดสูตรทางคณิตศาสตร์ ดังนั้นผู้เชี่ยวชาญจึงยังไม่สามารถให้ทฤษฎีในรูปแบบที่สมบูรณ์ได้
ปัญหาสำคัญประการที่สองคือการยืนยันแก่นแท้ของทฤษฎีการมีอยู่ของ 10 มิติ ซึ่งในความเป็นจริงเราสัมผัสได้เพียง 4 มิติเท่านั้น สันนิษฐานว่าอีก 6 ตัวที่เหลือคงอยู่ในสภาพบิดเบี้ยว และไม่สามารถสัมผัสได้แบบเรียลไทม์ ดังนั้นแม้ว่าการหักล้างทฤษฎีจะเป็นไปไม่ได้เลย แต่การยืนยันการทดลองก็ดูค่อนข้างยากเช่นกัน
ในเวลาเดียวกัน การศึกษาทฤษฎีสตริงกลายเป็นแรงผลักดันที่ชัดเจนสำหรับการพัฒนาโครงสร้างทางคณิตศาสตร์ดั้งเดิมและโทโพโลยี ฟิสิกส์ที่มีทิศทางเชิงทฤษฎีนั้นค่อนข้างหยั่งรากลึกในวิชาคณิตศาสตร์ด้วยความช่วยเหลือจากทฤษฎีที่กำลังศึกษาอยู่ ยิ่งไปกว่านั้น สาระสำคัญของแรงโน้มถ่วงควอนตัมและสสารสมัยใหม่สามารถเข้าใจได้อย่างถ่องแท้ โดยเริ่มศึกษาอย่างลึกซึ้งมากกว่าที่เคยเป็นไปได้มาก
ดังนั้น การวิจัยเกี่ยวกับทฤษฎีสตริงจึงดำเนินต่อไปอย่างต่อเนื่อง และผลของการทดลองจำนวนมาก รวมถึงการทดสอบที่เครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่ อาจให้แนวคิดและองค์ประกอบที่ขาดหายไป ในกรณีนี้ ทฤษฎีฟิสิกส์จะเป็นปรากฏการณ์ที่ได้รับการพิสูจน์แล้วและเป็นที่ยอมรับโดยทั่วไป
นิเวศวิทยาแห่งความรู้: ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดสำหรับนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีคือการรวมปฏิสัมพันธ์พื้นฐานทั้งหมด (แรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า ความอ่อนและแรง) ให้เป็นทฤษฎีเดียวได้อย่างไร ทฤษฎี Superstring อ้างว่าเป็นทฤษฎีของทุกสิ่ง
นับจากสามถึงสิบ
ปัญหาใหญ่ที่สุดสำหรับนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีคือการรวมปฏิสัมพันธ์พื้นฐานทั้งหมด (แรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า ความอ่อนแอ และแรง) ให้เป็นทฤษฎีเดียว ทฤษฎี Superstring อ้างว่าเป็นทฤษฎีของทุกสิ่ง
แต่ปรากฎว่าจำนวนมิติที่สะดวกที่สุดที่จำเป็นสำหรับทฤษฎีนี้ในการทำงานคือมากถึงสิบ (เก้ามิติเป็นเชิงพื้นที่และอีกมิติหนึ่งเป็นมิติชั่วคราว)! หากมีมิติไม่มากก็น้อย สมการทางคณิตศาสตร์จะให้ผลลัพธ์ที่ไม่ลงตัวซึ่งไปสู่อนันต์ - ภาวะเอกฐาน
ขั้นตอนต่อไปในการพัฒนาทฤษฎีสายเหนือ - ทฤษฎี M - ได้นับมิติที่สิบเอ็ดแล้ว และอีกเวอร์ชันหนึ่ง - ทฤษฎี F - ทั้งสิบสอง และนี่ไม่ใช่ภาวะแทรกซ้อนเลย ทฤษฎี F อธิบายปริภูมิ 12 มิติที่มากกว่า สมการง่ายๆกว่าทฤษฎี M - 11 มิติ
แน่นอนว่าฟิสิกส์เชิงทฤษฎีไม่ได้เรียกว่าเป็นทฤษฎีโดยเปล่าประโยชน์ จนถึงขณะนี้ความสำเร็จทั้งหมดของเธอมีอยู่บนกระดาษเท่านั้น ดังนั้น เพื่ออธิบายว่าทำไมเราถึงเคลื่อนที่ได้เฉพาะในอวกาศสามมิติเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์จึงเริ่มพูดถึงว่ามิติที่เหลืออันโชคร้ายต้องหดตัวลงเป็นทรงกลมขนาดเล็กที่ระดับควอนตัมได้อย่างไร พูดให้ตรง ๆ ไม่ใช่ทรงกลม แต่อยู่ในช่องว่าง Calabi-Yau เหล่านี้เป็นตัวเลขสามมิติซึ่งภายในมีโลกของตัวเองซึ่งมีมิติของตัวเอง การฉายภาพสองมิติของท่อร่วมดังกล่าวมีลักษณะดังนี้:
มีผู้ทราบตัวเลขดังกล่าวมากกว่า 470 ล้านตัว ข้อใดตรงกับความเป็นจริงของเราค่ะ ช่วงเวลานี้ถูกคำนวณ การเป็นนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีไม่ใช่เรื่องง่าย
ใช่ มันดูลึกซึ้งไปหน่อย แต่บางที นี่อาจเป็นสิ่งที่อธิบายได้อย่างชัดเจนว่าทำไมโลกควอนตัมจึงแตกต่างจากโลกที่เรารับรู้มาก
จุด จุด ลูกน้ำ
เริ่มต้นใหม่. มิติที่เป็นศูนย์คือจุด เธอไม่มีขนาด ไม่มีที่ใดให้เคลื่อนที่ ไม่จำเป็นต้องมีพิกัดเพื่อระบุตำแหน่งในมิติดังกล่าว
ลองวางอันที่สองถัดจากจุดแรกแล้วลากเส้นผ่านพวกมัน นี่คือมิติแรก วัตถุมิติเดียวมีขนาด-ความยาว แต่ไม่มีความกว้างหรือความลึก การเคลื่อนไหวภายในมิติเดียวนั้นมีจำกัดมาก เนื่องจากไม่สามารถหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางที่เกิดขึ้นระหว่างทางได้ หากต้องการระบุตำแหน่งในส่วนนี้ คุณจำเป็นต้องมีพิกัดเดียวเท่านั้น
ลองวางจุดถัดจากส่วนนั้น เพื่อให้พอดีกับวัตถุทั้งสองนี้ เราจะต้องมีช่องว่างสองมิติที่มีความยาวและความกว้าง ซึ่งก็คือพื้นที่ แต่ไม่มีความลึก นั่นคือปริมาตร ตำแหน่งของจุดใดๆ ในช่องนี้ถูกกำหนดโดยพิกัดสองพิกัด
มิติที่สามเกิดขึ้นเมื่อเราเพิ่มแกนพิกัดที่สามให้กับระบบนี้ มันง่ายมากสำหรับพวกเราผู้อาศัยอยู่ในจักรวาลสามมิติที่จะจินตนาการถึงสิ่งนี้
ลองจินตนาการว่าผู้อยู่อาศัยในอวกาศสองมิติมองโลกอย่างไร ตัวอย่างเช่น ชายสองคนนี้:
แต่ละคนจะเห็นสหายของตนดังนี้:
และในสถานการณ์เช่นนี้:
ฮีโร่ของเราจะเจอกันแบบนี้:
เป็นการเปลี่ยนแปลงมุมมองที่ทำให้ฮีโร่ของเราสามารถตัดสินซึ่งกันและกันเป็นวัตถุสองมิติ ไม่ใช่ส่วนเดียว
ตอนนี้ ลองจินตนาการว่าวัตถุเชิงปริมาตรจำนวนหนึ่งเคลื่อนที่ในมิติที่สาม ซึ่งตัดกับโลกสองมิตินี้ สำหรับผู้สังเกตการณ์ภายนอก การเคลื่อนไหวนี้จะแสดงเป็นการเปลี่ยนแปลงของการฉายภาพวัตถุบนระนาบสองมิติ เหมือนบรอกโคลีในเครื่อง MRI:
แต่สำหรับคนที่อาศัยอยู่ในที่ราบของเราภาพนี้ไม่สามารถเข้าใจได้! เขาไม่สามารถจินตนาการถึงเธอได้ สำหรับเขา ภาพฉายสองมิติแต่ละภาพจะถูกมองว่าเป็นภาพมิติเดียวที่มีความยาวแปรผันอย่างลึกลับ ปรากฏในสถานที่ที่คาดเดาไม่ได้และหายไปอย่างคาดเดาไม่ได้เช่นกัน ความพยายามที่จะคำนวณความยาวและแหล่งกำเนิดของวัตถุดังกล่าวโดยใช้กฎฟิสิกส์ของอวกาศสองมิติจะถึงวาระที่จะล้มเหลว
พวกเราผู้อาศัยอยู่ในโลกสามมิติ มองทุกสิ่งเป็นสองมิติ มีเพียงการเคลื่อนย้ายวัตถุในอวกาศเท่านั้นที่ทำให้เรารู้สึกถึงปริมาตรของมัน นอกจากนี้เรายังจะเห็นวัตถุหลายมิติใดๆ ก็ตามเป็นสองมิติ แต่จะเปลี่ยนแปลงไปในลักษณะที่น่าทึ่ง ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ของเรากับวัตถุนั้นหรือเวลา
จากมุมมองนี้ เป็นเรื่องที่น่าสนใจที่จะคิดเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง เป็นต้น ทุกคนคงเคยเห็นภาพเช่นนี้:
โดยทั่วไปแล้วจะแสดงให้เห็นว่าแรงโน้มถ่วงทำให้กาล-อวกาศโค้งงออย่างไร มันโค้ง...ตรงไหน? ไม่ได้อยู่ในมิติใดที่เราคุ้นเคย แล้วอุโมงค์ควอนตัมล่ะนั่นคือความสามารถของอนุภาคที่จะหายไปในที่เดียวและปรากฏในที่ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงและอยู่เบื้องหลังสิ่งกีดขวางซึ่งในความเป็นจริงของเราไม่สามารถทะลุผ่านได้โดยไม่ทำรูในนั้น แล้วหลุมดำล่ะ? จะเกิดอะไรขึ้นถ้าสิ่งเหล่านี้และความลึกลับอื่น ๆ วิทยาศาสตร์สมัยใหม่พวกเขาอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าเรขาคณิตของอวกาศไม่เหมือนกับที่เราคุ้นเคยเลยในการรับรู้หรือไม่?
นาฬิกากำลังฟ้อง
เวลาเพิ่มพิกัดอื่นให้กับจักรวาลของเรา ในการที่จะจัดงานปาร์ตี้ คุณไม่เพียงต้องรู้ว่าจะจัดที่บาร์ไหนเท่านั้น แต่ยังต้องรู้ด้วย เวลาที่แน่นอนกิจกรรมนี้.
จากการรับรู้ของเรา เวลาไม่ได้เป็นเส้นตรงเท่ารังสี นั่นคือมีจุดเริ่มต้นและการเคลื่อนไหวดำเนินไปในทิศทางเดียวเท่านั้น - จากอดีตสู่อนาคต ยิ่งกว่านั้นปัจจุบันเท่านั้นที่เป็นจริง ไม่มีทั้งอดีตและอนาคต เช่นเดียวกับอาหารเช้าและอาหารเย็นในมุมมองของพนักงานออฟฟิศในช่วงพักกลางวันไม่มีอยู่จริง
แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพไม่เห็นด้วยกับเรื่องนี้ จากมุมมองของเธอ เวลาคือมิติที่เต็มเปี่ยม เหตุการณ์ทั้งหมดที่มีอยู่ ดำรงอยู่ และกำลังจะดำรงอยู่นั้นมีจริงไม่แพ้กัน เหมือนกับที่ชายหาดมีจริง ไม่ว่าความฝันของเสียงคลื่นจะพาเราไปด้วยความประหลาดใจที่ใดก็ตาม การรับรู้ของเราเป็นเพียงสปอตไลต์ที่ส่องสว่างส่วนใดส่วนหนึ่งในเส้นตรงของเวลา มนุษยชาติในมิติที่สี่มีลักษณะดังนี้:
แต่เราเห็นเพียงการฉายภาพ เสี้ยวหนึ่งของมิตินี้ในแต่ละช่วงเวลา ใช่ ใช่ เหมือนบรอกโคลีในเครื่อง MRI
จนถึงขณะนี้ ทฤษฎีทั้งหมดใช้ได้กับมิติเชิงพื้นที่จำนวนมาก และมิติทางโลกเป็นเพียงมิติเดียวเสมอ แต่เหตุใดอวกาศจึงมีพื้นที่หลายมิติ แต่เพียงครั้งเดียวเท่านั้น จนกว่านักวิทยาศาสตร์จะสามารถตอบคำถามนี้ได้ สมมติฐานของช่องว่างเวลาสองแห่งขึ้นไปจะดูน่าสนใจมากสำหรับนักปรัชญาและนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ทุกคน และนักฟิสิกส์ด้วยล่ะ? ตัวอย่างเช่น นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Itzhak Bars มองเห็นต้นตอของปัญหาทั้งหมดเกี่ยวกับทฤษฎีทุกสิ่งว่าเป็นมิติของครั้งที่สองที่ถูกมองข้าม เพื่อเป็นการฝึกจิต ลองจินตนาการถึงโลกที่มีสองครั้ง
แต่ละมิติมีอยู่แยกกัน นี่แสดงให้เห็นความจริงที่ว่าถ้าเราเปลี่ยนพิกัดของวัตถุในมิติหนึ่ง พิกัดในมิติอื่นอาจไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้น หากคุณเคลื่อนที่ไปตามแกนเวลาหนึ่งซึ่งตัดกันเป็นมุมฉาก เวลาจะหยุดที่จุดตัดกัน ในทางปฏิบัติจะมีลักษณะดังนี้:
สิ่งเดียวที่นีโอต้องทำคือวางแกนเวลาหนึ่งมิติตั้งฉากกับแกนเวลาของกระสุน เรื่องเล็ก ๆ น้อย ๆ คุณจะเห็นด้วย ในความเป็นจริงทุกอย่างซับซ้อนกว่ามาก
เวลาที่แน่นอนในจักรวาลที่มีสองมิติเวลาจะถูกกำหนดโดยสองค่า เป็นเรื่องยากไหมที่จะจินตนาการถึงเหตุการณ์สองมิติ? นั่นคืออันที่ขยายพร้อมกันไปตามแกนเวลาสองแกน? มีแนวโน้มว่าโลกดังกล่าวจะต้องอาศัยผู้เชี่ยวชาญในการทำแผนที่เวลา เช่นเดียวกับที่นักทำแผนที่ทำแผนที่พื้นผิวสองมิติของโลก
มีอะไรอีกที่ทำให้อวกาศสองมิติแตกต่างจากอวกาศหนึ่งมิติอีก? ความสามารถในการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง เป็นต้น สิ่งนี้อยู่นอกเหนือขอบเขตของจิตใจของเราโดยสิ้นเชิง ผู้ที่อาศัยอยู่ในโลกมิติเดียวไม่สามารถจินตนาการได้ว่าการเลี้ยวโค้งจะเป็นอย่างไร และนี่คือมุมของเวลา? นอกจากนี้ ในพื้นที่สองมิติ คุณสามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ถอยหลัง หรือแนวทแยงได้ ฉันไม่รู้ว่าการผ่านเวลาตามแนวทแยงมุมเป็นอย่างไร ไม่ต้องพูดถึงความจริงที่ว่าเวลาเป็นพื้นฐานของหลาย ๆ คน กฎทางกายภาพและฟิสิกส์ของจักรวาลจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรพร้อมกับการมาถึงของมิติเวลาอื่นนั้นเป็นไปไม่ได้ที่จะจินตนาการ แต่การคิดแบบนั้นมันน่าตื่นเต้นมาก!
สารานุกรมที่มีขนาดใหญ่มาก
มิติอื่นๆ ยังไม่ถูกค้นพบและมีอยู่เฉพาะในแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เท่านั้น แต่คุณสามารถลองจินตนาการถึงสิ่งเหล่านี้ได้
ดังที่เราทราบก่อนหน้านี้ เราเห็นการฉายภาพสามมิติของมิติที่สี่ (เวลา) ของจักรวาล กล่าวอีกนัยหนึ่ง ทุกช่วงเวลาของการดำรงอยู่ของโลกของเราคือจุด (คล้ายกับมิติศูนย์) ในช่วงเวลาตั้งแต่บิ๊กแบงจนถึงจุดสิ้นสุดของโลก
บรรดาผู้ที่อ่านเกี่ยวกับการเดินทางข้ามเวลาจะรู้อะไรดี บทบาทสำคัญความโค้งของความต่อเนื่องของกาล-อวกาศส่งผลต่อพวกมัน นี่คือมิติที่ห้า - อยู่ในนั้นที่กาลอวกาศสี่มิติ "โค้งงอ" เพื่อนำจุดสองจุดบนเส้นนี้เข้ามาใกล้กันมากขึ้น หากไม่มีสิ่งนี้ การเดินทางระหว่างจุดเหล่านี้จะยาวเกินไปหรือเป็นไปไม่ได้ด้วยซ้ำ พูดโดยคร่าวๆ มิติที่ห้านั้นคล้ายกับมิติที่สอง - มันย้ายเส้นอวกาศ-เวลา "หนึ่งมิติ" ไปเป็นระนาบ "สองมิติ" โดยทั้งหมดที่มันบอกเป็นนัยในรูปแบบของความสามารถในการเลี้ยวมุม
ก่อนหน้านี้เล็กน้อย ผู้อ่านที่มีความคิดเชิงปรัชญาโดยเฉพาะของเราอาจนึกถึงความเป็นไปได้ของเจตจำนงเสรีในสภาวะที่อนาคตนั้นมีอยู่แล้ว แต่ยังไม่มีใครรู้ วิทยาศาสตร์ตอบคำถามนี้ในลักษณะนี้: ความน่าจะเป็น อนาคตไม่ใช่ไม้กวาด แต่เป็นไม้กวาดทั้งหมด ตัวเลือกที่เป็นไปได้พัฒนาการของเหตุการณ์ เราจะพบว่าอันไหนจะเกิดขึ้นจริงเมื่อเราไปถึงที่นั่น
ความน่าจะเป็นแต่ละอย่างมีอยู่ในรูปแบบของส่วน "หนึ่งมิติ" บน "ระนาบ" ของมิติที่ห้า วิธีที่เร็วที่สุดในการข้ามจากส่วนหนึ่งไปยังอีกส่วนหนึ่งคืออะไร? ถูกต้อง - งอระนาบนี้เหมือนแผ่นกระดาษ ฉันควรจะโค้งงอตรงไหน? และอีกครั้งอย่างถูกต้อง - ในมิติที่หกซึ่งทำให้โครงสร้าง "ปริมาตร" ที่ซับซ้อนทั้งหมดนี้ และด้วยเหตุนี้ จึงทำให้จุดใหม่ "เสร็จสิ้น" เช่นเดียวกับอวกาศสามมิติ
มิติที่เจ็ดเป็นเส้นตรงใหม่ซึ่งประกอบด้วย "จุด" หกมิติ จุดอื่นใดในบรรทัดนี้คืออะไร? ตัวเลือกที่ไม่มีที่สิ้นสุดทั้งหมดสำหรับการพัฒนาเหตุการณ์ในอีกจักรวาลหนึ่ง ไม่ได้เกิดขึ้นจากบิ๊กแบง แต่อยู่ภายใต้เงื่อนไขอื่น และดำเนินการตามกฎหมายอื่น นั่นก็คือมิติที่เจ็ดนั้นมาจากลูกปัด โลกคู่ขนาน. มิติที่แปดรวบรวม "เส้นตรง" เหล่านี้ไว้ใน "ระนาบ" เดียว และเล่มที่เก้าสามารถเปรียบเทียบได้กับหนังสือที่มี "แผ่นงาน" ทั้งหมดของมิติที่แปด นี่คือผลรวมของประวัติศาสตร์ทั้งหมดของจักรวาลทั้งหมดด้วยกฎฟิสิกส์ทั้งหมดและเงื่อนไขเริ่มต้นทั้งหมด ระยะเวลาอีกครั้ง.
ที่นี่เราถึงขีดจำกัดแล้ว หากต้องการจินตนาการถึงมิติที่ 10 เราจำเป็นต้องมีเส้นตรง แล้วจะมีประเด็นอะไรอีกในบรรทัดนี้ถ้ามิติที่เก้าครอบคลุมทุกสิ่งที่สามารถจินตนาการได้อยู่แล้ว และแม้แต่สิ่งที่เป็นไปไม่ได้ที่จะจินตนาการ? ปรากฎว่ามิติที่เก้าไม่ได้เป็นเพียงจุดเริ่มต้น แต่เป็นมิติสุดท้าย - อย่างน้อยก็เพื่อจินตนาการของเรา
ทฤษฎีสตริงระบุว่าสตริงสั่นสะเทือนในมิติที่ 10 ซึ่งเป็นอนุภาคพื้นฐานที่ประกอบเป็นทุกสิ่งทุกอย่าง หากมิติที่สิบประกอบด้วยจักรวาลทั้งหมดและความเป็นไปได้ทั้งหมด สตริงก็มีอยู่ทุกที่และตลอดเวลา ฉันหมายถึง เชือกทุกเส้นมีอยู่ทั้งในจักรวาลของเราและในจักรวาลอื่น ๆ ตอนไหนก็ได้. ทันที. เจ๋งใช่มั้ย?ที่ตีพิมพ์
คำถามสำคัญ:
อะไรคือองค์ประกอบพื้นฐานของจักรวาล - "อิฐก้อนแรกของสสาร"? มีทฤษฎีที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพพื้นฐานทั้งหมดได้หรือไม่?
คำถาม: นี่เป็นเรื่องจริงเหรอ?
ในปัจจุบันและในอนาคตอันใกล้ การสังเกตโดยตรงในระดับเล็กๆ ดังกล่าวไม่สามารถทำได้ ฟิสิกส์อยู่ในการค้นหา และการทดลองที่กำลังดำเนินอยู่ เช่น การค้นพบอนุภาคสมมาตรยิ่งยวดหรือการค้นหามิติพิเศษในเครื่องเร่งความเร็ว อาจบ่งชี้ว่าทฤษฎีสตริงมาถูกทางแล้ว
ไม่ว่าทฤษฎีสตริงจะเป็นทฤษฎีของทุกสิ่งหรือไม่ก็ตาม ทฤษฎีนี้ทำให้เรามีชุดเครื่องมือที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวในการมองเข้าไปในโครงสร้างที่ลึกลงไปของความเป็นจริง
ทฤษฎีสตริง
มาโครและไมโคร
เมื่ออธิบายถึงจักรวาล ฟิสิกส์ได้แบ่งจักรวาลออกเป็นสองซีกที่ดูเหมือนจะเข้ากันไม่ได้ ได้แก่ โลกควอนตัมขนาดเล็ก และโลกมาโครซึ่งมีการอธิบายแรงโน้มถ่วงไว้ภายใน
ทฤษฎีสตริงเป็นความพยายามที่ก่อให้เกิดความขัดแย้งในการรวมครึ่งเหล่านี้เข้าเป็น "ทฤษฎีของทุกสิ่ง"
อนุภาคและอันตรกิริยา
โลกประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานสองประเภท ได้แก่ เฟอร์มิออนและโบซอน เฟอร์มิออนล้วนเป็นสสารที่สามารถสังเกตได้ และโบซอนเป็นพาหะของปฏิกิริยาพื้นฐานสี่ชนิดที่ทราบ ได้แก่ แบบอ่อน แม่เหล็กไฟฟ้า แรง และแรงโน้มถ่วง ด้วยการใช้ทฤษฎีที่เรียกว่าแบบจำลองมาตรฐาน นักฟิสิกส์สามารถอธิบายและทดสอบแรงพื้นฐานทั้งสามได้อย่างสวยงาม ยกเว้นแรงโน้มถ่วงที่อ่อนที่สุด ปัจจุบันแบบจำลองมาตรฐานเป็นแบบจำลองที่แม่นยำและได้รับการยืนยันจากการทดลองมากที่สุดในโลกของเรา
ทำไมเราต้องมีทฤษฎีสตริง?
แบบจำลองมาตรฐานไม่รวมแรงโน้มถ่วง ไม่สามารถอธิบายจุดศูนย์กลางของหลุมดำได้ และ บิ๊กแบงไม่ได้อธิบายผลการทดลองบางอย่าง ทฤษฎีสตริงเป็นความพยายามที่จะแก้ไขปัญหาเหล่านี้และรวมสสารและปฏิกิริยาเข้าด้วยกันโดยการแทนที่อนุภาคมูลฐานด้วยเส้นสั่นเล็กๆ
ทฤษฎีสตริงมีพื้นฐานมาจากแนวคิดที่ว่าอนุภาคมูลฐานทั้งหมดสามารถแสดงเป็น "อิฐก้อนแรก" เบื้องต้นได้ นั่นคือสตริง เชือกสามารถสั่นสะเทือนได้ และโหมดต่างๆ ของการสั่นสะเทือนดังกล่าวในระยะไกลจะดูเหมือนอนุภาคมูลฐานที่แตกต่างกันสำหรับเรา โหมดการสั่นสะเทือนโหมดหนึ่งจะทำให้สายดูเหมือนโฟตอน และอีกโหมดหนึ่งจะทำให้สายดูเหมือนอิเล็กตรอน
มีแม้กระทั่งโหมดที่อธิบายผู้ให้บริการของการปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วง - Graviton! ตัวแปรของทฤษฎีสตริงอธิบายสตริงได้สองประเภท: เปิด (1) และปิด (2) สายเปิดมีปลายสองด้าน (3) อยู่บนโครงสร้างคล้ายเมมเบรนที่เรียกว่า D-branes และไดนามิกของพวกมันอธิบายแรงพื้นฐานสามในสี่แรง - ทั้งหมดยกเว้นแรงโน้มถ่วง
สายปิดมีลักษณะคล้ายลูป แต่ไม่ได้ผูกติดกับ D-branes - มันเป็นโหมดการสั่นสะเทือนของสายปิดซึ่งแสดงด้วยกราวิตอนไร้มวล ปลายของสายเปิดสามารถต่อกันจนกลายเป็นสายปิด ซึ่งสามารถแยกออกจนกลายเป็นสายเปิด หรือมาบรรจบกันและแยกออกเป็นสายปิดสองสาย (5) ดังนั้นในทฤษฎีสตริง ปฏิกิริยาโน้มถ่วงจึงรวมกับสิ่งอื่นๆ ทั้งหมด
สตริงเป็นวัตถุที่เล็กที่สุดในบรรดาวัตถุทั้งหมดที่ฟิสิกส์ทำงาน ช่วงของขนาด V ของวัตถุที่แสดงในภาพด้านบนจะขยายไปถึง 34 ลำดับความสำคัญ - ถ้าอะตอมมีขนาดเท่ากับ ระบบสุริยะดังนั้นขนาดของสายอักขระอาจมีขนาดใหญ่กว่านิวเคลียสของอะตอมเล็กน้อย
มิติข้อมูลเพิ่มเติม
ทฤษฎีสตริงที่สอดคล้องกันเป็นไปได้เฉพาะในปริภูมิมิติที่สูงกว่าเท่านั้น ซึ่งนอกเหนือจากมิติปริภูมิ-เวลาที่ 4 ที่คุ้นเคยแล้ว ยังจำเป็นต้องมีอีก 6 ทฤษฎีเพิ่มเติม นักทฤษฎีเชื่อว่ามิติพิเศษเหล่านี้ถูกพับให้อยู่ในรูปแบบที่เล็กจนยากจะเข้าใจ - ช่องว่าง Calabi-Yau ปัญหาประการหนึ่งของทฤษฎีสตริงก็คือ มีการแปรผันของการบิดตัวของ Calabi-Yau (การอัดแน่น) จนแทบไม่มีที่สิ้นสุด ซึ่งช่วยให้เราสามารถอธิบายโลกใดๆ ก็ได้ และจนถึงขณะนี้ยังไม่มีวิธีใดที่จะพบการกระชับแบบดังกล่าวที่ จะช่วยให้เราบรรยายได้ว่าสิ่งที่เราเห็นรอบตัว
สมมาตรยิ่งยวด
ทฤษฎีสตริงเวอร์ชันส่วนใหญ่ต้องการแนวคิดเรื่องสมมาตรยิ่งยวด ซึ่งมีพื้นฐานมาจากแนวคิดที่ว่าเฟอร์มิออน (สสาร) และโบซอน (อันตรกิริยา) เป็นการปรากฏของวัตถุเดียวกัน และสามารถกลายเป็นกันและกันได้
ทฤษฎีของทุกสิ่ง?
สมมาตรยิ่งยวดสามารถรวมเข้ากับทฤษฎีสตริงได้ 5 วิธี ส่งผลให้เกิดทฤษฎีสตริง 5 แบบที่แตกต่างกัน ซึ่งหมายความว่าทฤษฎีสตริงไม่สามารถอ้างได้ว่าเป็น "ทฤษฎีของทุกสิ่ง" ทั้งห้าประเภทมีความสัมพันธ์กันโดยการแปลงทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าความเป็นคู่ และสิ่งนี้นำไปสู่ความเข้าใจว่าประเภททั้งหมดเหล่านี้เป็นแง่มุมของบางสิ่งที่กว้างกว่า นี้เพิ่มเติม ทฤษฎีทั่วไปเรียกว่า ทฤษฎีเอ็ม
ทฤษฎีสตริงมีสูตรที่แตกต่างกัน 5 สูตร แต่เมื่อตรวจสอบอย่างใกล้ชิดปรากฎว่าทั้งหมดนี้ล้วนเป็นการแสดงให้เห็นของทฤษฎีทั่วไปที่มากกว่า