Jak wszechświat może mieć więcej wymiarów

Dimensional disaster

w teorii strun małe pętle wibrującej ciągłości (w teorii są podstawowym obiektem rzeczywistości) manifestują się jako różne cząstki (elektrony, kwarki, neutrina itp.) i jako nośniki siły natury (fotony, gluony, grawitony itp.). Sposób, w jaki to robią, polega na ich wibracjach., Każda struna jest tak mała, że wydaje nam się niczym więcej niż punktową cząstką, ale każda struna może wibrować w różnych trybach, tak samo jak można uzyskać różne nuty ze struny gitarowej.

uważa się, że każdy tryb drgań odnosi się do innego rodzaju cząstek. Więc wszystkie struny wibrujące w jeden sposób wyglądają jak elektrony, wszystkie struny wibrujące w inny sposób wyglądają jak fotony i tak dalej. To, co widzimy jako zderzenia cząstek, jest w teorii strun wiązką strun łączących się i rozdzielających.,

ale aby matematyka zadziałała, w naszym wszechświecie muszą być więcej niż cztery wymiary. Dzieje się tak dlatego, że nasza zwykła czasoprzestrzeń nie daje strunom wystarczająco „miejsca”, aby wibrowały na wszystkie potrzebne sposoby, aby w pełni wyrazić siebie jako wszystkie odmiany cząstek na świecie. Są zbyt ograniczeni.

innymi słowy, struny nie tylko się poruszają, ale poruszają się hiperwymiarowo.

obecne wersje teorii strun wymagają łącznie 10 wymiarów, podczas gdy jeszcze bardziej hipotetyczna teoria strun über-strun znana jako M-teoria wymaga 11., Ale kiedy rozglądamy się po wszechświecie, widzimy tylko zwykłe trzy wymiary przestrzenne plus wymiar czasu. Jesteśmy prawie pewni, że gdyby wszechświat miał więcej niż cztery wymiary, już byśmy to zauważyli.

jak można pogodzić wymagania teorii strun dla dodatkowych wymiarów z naszymi codziennymi doświadczeniami we wszechświecie?

zwarte i zwarte

na szczęście teoretycy strun byli w stanie wskazać historyczną zapowiedź tego pozornie radykalnego pojęcia.,

w 1919 roku, krótko po tym, jak Albert Einstein opublikował swoją teorię ogólnej teorii względności, matematyk i fizyk Theodor Kaluza bawił się równaniami, tylko dla Zabawy. I znalazł coś szczególnie interesującego, gdy dodał piąty wymiar do równań — nic się nie stało. Równania względności tak naprawdę nie dbają o liczbę wymiarów; to coś, co trzeba dodać, aby teoria miała zastosowanie do naszego wszechświata.,

ale wtedy Kaluza dodał specjalny skręt do tego piątego wymiaru, sprawiając, że owija się wokół siebie w tak zwany „stan cylindra.”To wymaganie sprawiło, że pojawiło się coś nowego: Kaluza odzyskał zwykłe równania ogólnej teorii względności w zwykłych czterech wymiarach, plus nowe równanie, które powielało wyrażenia elektromagnetyzmu.

wydawało się, że dodanie wymiarów może potencjalnie ujednolicić fizykę.

z perspektywy czasu to było trochę czerwone śledzie.,

jednak kilka dekad później inny fizyk, Oskar Klein, próbował nadać idei Kaluzy interpretację w kategoriach mechaniki kwantowej. Odkrył, że jeśli ten piąty wymiar istniał i był w jakiś sposób odpowiedzialny za elektromagnetyzm, wymiar ten musiał zostać zarysowany, owinięty wokół siebie (tak jak w oryginalnym pomyśle Kaluzy), ale znacznie mniejszy, aż do gołych 10^-35 metrów.

wiele Rozmaitości teorii strun

Jeśli dodatkowy wymiar (lub wymiary) jest naprawdę tak mały, nie zauważylibyśmy tego do tej pory., Jest tak mały, że nie możemy mieć nadziei na bezpośrednie zbadanie go za pomocą naszych wysokoenergetycznych eksperymentów. A jeśli te wymiary są owinięte w siebie, to za każdym razem, gdy poruszasz się w czterowymiarowej przestrzeni, naprawdę okrążasz te dodatkowe wymiary miliardy na miliardy razy.

i to są wymiary, w których żyją struny teorii strun.,

dzięki dalszemu matematycznemu wglądowi stwierdzono, że dodatkowe sześć wymiarów przestrzennych potrzebnych w teorii strun musi być zawiniętych w konkretny zestaw konfiguracji, znany jako kolektory Calabi-Yao po dwóch wybitnych fizykach. Ale nie ma jednego wyjątkowego kolektora, który jest dozwolony przez teorię Stinga.

jest około 10^200 tys.

okazuje się, że gdy potrzebujesz sześciu wymiarów, aby się zwinąć i dać im prawie każdy możliwy sposób, to … sumuje się.

to jest wiele różnych sposobów na owinięcie tych dodatkowych wymiarów w siebie., Każda możliwa konfiguracja wpłynie na sposób, w jaki struny w nich wibrują. Ponieważ sposób, w jaki struny wibrują decyduje o tym, jak zachowują się tutaj w makroskopowym świecie, każdy wybór kolektora prowadzi do odrębnego wszechświata z własnym zestawem fizyki.

Tak więc tylko jeden kolektor może dać początek światu, gdy go doświadczamy. Ale który?

Niestety teoria strun nie daje nam odpowiedzi, przynajmniej jeszcze nie., Problem w tym, że teoria strun nie jest skończona — mamy tylko różne metody aproksymacji, które mamy nadzieję zbliżyć się do rzeczywistości, ale w tej chwili nie mamy pojęcia, jak bardzo mamy rację. Nie mamy więc technologii matematycznej do podążania za łańcuchem, od specyficznego kolektora do specyficznego drgania strun do fizyki wszechświata.

odpowiedzią teoretyków strun jest coś, co nazywa się krajobrazem, wieloświatem wszystkich możliwych wszechświatów przewidywanych przez różne Rozmaitości, z naszym wszechświatem jako jednym punktem wśród wielu.,

i tam dzisiaj siedzi teoria strun, gdzieś w krajobrazie.

• teoria względności Einsteina wyjaśniona (infografika)
• obrazy: powrót do Wielkiego Wybuchu& wczesny wszechświat
• co dalej z kosmologią po przełomowym odkryciu fal grawitacyjnych?

Paul M. Sutter jest astrofizykiem w SUNY Stony Brook i Flatiron Institute, gospodarzem Ask a Spaceman i Space Radio oraz autorem Twojego miejsca we wszechświecie.

Śledź nas na Twitterze @Spacedotcom i Facebook.,