Yksi kaikesta teoriaan liittyvistä pääehdokkaista on joustoteoria tai sen yleisempi versio, M-teoria. Mutta se antaa yhden ennusteen, että tuskin koskaan pystymme todentamaan - piilotettuja, tiivistettyjä ulottuvuuksia.
Jousteoria pyrkii paitsi yhdistämään kvanttimekaniikan yleiseen suhteellisuuteen, myös selittämään luonnossa havaittujen hiukkasten ja voimien spektriä. Teorian viimeisimmässä muotoilussa - matriisiteoriassa - on 11 ulottuvuutta. Sen kannattajat ovat kohdanneet yhden suurimmista ongelmista jousiteorioiden kanssa - selittämällä, kuinka ylimääräiset ulottuvuudet "tiivistetään", mikä tekee niistä mahdotonta havaita nelidimensioisessa maailmassamme. Yhteensopivuus selventää myös teorian mielenkiintoisimpia ominaisuuksia.
Jousteteoria väittää, että maailma koostuu uskomattoman pienistä värähtelevistä kielistä kymmenenulotteisessa avaruus-ajassa. Vuonna 1995, toisen superstring-vallankumouksen aikana, Edward Witten ehdotti M-teoriaa, joka yhdisti kaikki viisi erityyppistä jousiteoriaa. Tämä on 11-ulotteinen teoria, joka sisältää supergravitaation. Tutkijoiden keskuudessa ei ole yhtä ainoaa vastausta siihen, mitä "M" tarkoittaa nimessä, mutta monet teoreetikot ovat yhtä mieltä siitä, että tämä kirjain tarkoittaa "kalvoja", koska teoria sisältää usean eri ulottuvuuden värähtelevät pinnat. M-teoriasta puuttuu tarkkoja liikeyhtälöitä, mutta vuonna 1996 Tom Banks Rutgers Universitystä ja hänen kollegansa ehdottivat sen kuvaamista "matriisiteoriaksi", jonka päämuuttujat ovat matriisit.
Tämän 11-ulotteisen teorian mukauttaminen neljään muutokseen ei ollut mitenkään helppoa. Tiivistäminen tarkoittaa kirjaimellisesti "rullaamista" teorian ylimääräiset mitat erittäin pieniksi mittoiksi. Esimerkiksi, kun haluat taittaa kaksi ulottuvuutta, ota donitsi - tai torus (se on kaksiulotteinen pinta) - purista se ympyrään tai silmukkaan, jolla on pieni poikkileikkaus, ja purista sitten silmukka pisteeseen. Ilman riittävän herkkää anturia, joka voisi rekisteröidä "puristetut" mittaukset, tämä silmukka näyttää yhden ulottuvuuden, kun taas piste on nollaulotteinen. M-teoriassa oletetaan, että puhumme kooltaan 10-33 senttimetrin kokoista, joita puolestaan ei voida mitenkään rekisteröidä nykyaikaisilla laitteilla. Osoittautuu, että seitsemän ulottuvuuden tiivistämisen jälkeen ympärillämme oleva maailma näyttää neljäulotteiselta.
Edward Witten / Quanta-lehti / Jean Sweep.
Mutta mikä on ulottuvuus sinänsä? Intuitiivisesti voi vaikuttaa siltä, että jokainen ulottuvuus on itsenäinen suunta, johon me (tai mikä tahansa esine) voimme liikkua. Joten osoittautuu, että elämme kolmissa alueellisissa ulottuvuuksissa - "eteenpäin taaksepäin", "vasen oikea-oikea" ja "ylös-alas" - ja yhdellä kertaa - "menneisyydessä-tulevaisuudessa". Yleensä nämä ovat neljä ulottuvuutta. Mutta käsitys mittamme on tiukasti sidottu asteikkoihin.
Kuvittele, että katsot laivaa, joka purjehti etäisyydestä satamaan. Aluksi se näyttää nollapisteeltä horisontissa. Jonkin ajan kuluttua huomaat, että siinä on masto osoittaen taivaaseen: nyt se näyttää yhden ulottuvuuden linjalta. Sitten huomaat sen purjeet - ja esine näyttää jo kaksiulotteiselta. Kun laiva lähenee telakkaa, huomaat vihdoin, että sillä on pitkä kansi - kolmas ulottuvuus.
Tässä ei ole mitään outoa, samoin kuin se, että uskomattomaan kokoon pienennetty munkki näyttää olevan nollaulotteinen piste. Asia on, että emme pysty määrittämään mittauksia pitkiltä etäisyyksiltä. Tämä johtaa loogisesti edellä kuvattuun: ulottuvuuksia voi olla, mutta ne ovat niin pieniä, ettemme ymmärrä niitä.
Mainosvideo:
Palatkaamme takaisin mittausten tiivistämiseen. Kuvittele, että olet orava, joka asuu äärettömän pitkällä puunrunolla. Puunrunko on tavalla tai toisella sylinteri. Voit liikkua kahteen itsenäiseen suuntaan - "pitkin" ja "ympäri". Kun kyllästyt, siirryt ohuemmalla puulla olevaan puuhun, jonka ympärysmitta on paljon pienempi. Nyt ympärilläsi oleva ulottuvuus on paljon pienempi kuin ennen. Tarvitset vain kaksi vaihetta tynnyrin ohittamiseen kokonaan. Hyppää vielä ohuempaan puuhun. Käärität nyt yhdessä vaiheessa tynnyrin sata kertaa! Ympäröivästä ulottuvuudesta on tullut liian pieni, jotta voit huomata sen. Mitä ohuempana puunrunkoista tulee, sitä enemmän maailmasi mitat pienenevät yhdeksi.
Mitä pienempään puuhun orava hyppää, sitä pienempi on ulottuvuus "ympärillä", jossa se voi liikkua ja jonka se voi havaita / WhyStringTheory.com
Juuri näin tapahtuu jousiteoriassa kuuden (M-teoriassa seitsemän) lisädimensioiden kanssa. Joka kerta kun siirrät kättäsi avaruuden läpi, käännät piilotettuja ulottuvuuksia uskomattoman monta kertaa.
Kuten edellä mainittiin, tiivistettyjen mittojen mitat ovat luokkaa 10-33 senttimetriä, mikä on verrattavissa Planckin pituuteen (1,6x10-33 senttimetriä). On huomattava, että on epätodennäköistä, että meillä on lähitulevaisuudessa mahdollisuus rekisteröidä ne suoraan kokeellisesti. Siitä huolimatta tutkijat toivovat joitain testejä, joiden tulokset kuitenkin riippuvat suuresti onnistuneesta olosuhteiden yhdistelmästä.
Jousien muoto ja koko on erittäin tärkeä niiden värähtelyjen ja vuorovaikutuksen simuloimiseksi. Sinun on ymmärrettävä, kuinka ne kiertyvät kuuden käpristyneen ulottuvuuden ympäri. Tiivistämällä muodostettu pinnan tarkka rakenne muuttaa merkkijonojen ohjaamaa fysiikkaa.
On olemassa useita tapoja, joilla ylimääräiset mitat voidaan taittaa niin pieneen tilaan. Vielä ei kuitenkaan ole tiedossa, mikä näistä menetelmistä johtaa lopulta perinteiseen fysiikkaan.
Aikaisemmin on yritetty tiivistää matriisiteoriaa kuuden ulottuvuuden toroidilla, mutta siitä ei ole tullut mitään. Kukaan ei uskonut, että väitetysti vaikeampi tiivistysongelma Calabi-Yau -jakotukkien kanssa tarjoaisi toimivia ratkaisuja toimivaan teoriaan. Mitojen kompaktiointi Calabi-Yau -jakoputkien kanssa välttää joitain matriisiteorian komplikaatioita.
Nykyinen joustoteorian tutkimus liittyy enemmän Calabi-Yau -jakoon. Tämä on varmasti lupaava tiivistelmäryhmä, mutta selkeää vastausta ei vieläkään ole, ja löydettyjen jakeluyksiköiden määrä on jo noussut 10: een (500: een voimaan), kuten yksi jousiateoreetikoista Brian Green äskettäin huomautti Sean Carrollin podcastissa.
Kuuden ulottuvuuden Calabi -jakot - Yau / Vimeo / Grafeeni.
Jousteteoreetikot ovat edelleen kaukana selkeästä ja yksiselitteisestä käsityksestä siitä, kuvaako M-teoria todella maailmaa pienimmissä mittakaavoissa. Kuten Edward Witten huomautti: "On hämmästyttävää, kuinka voit rakentaa teorian, joka sisältää painovoiman, mutta joka alun perin perustui vain mittariteoriaan."
Jousteoria on monimutkainen matemaattinen laite. Kuten Clifford Johnson ja Brian Greene huomauttivat aikakauslehtihaastatteluissamme, on vaikea sanoa, että tämä teoria kuvaa todellisuutta. Mutta vaikka käy ilmi, että sillä ei ole mitään tekemistä todellisuuden kanssa, se on ehdottomasti tärkeä askel kohti jotain suurempaa - kohti teoriaa, joka kuvaa maailmankaikkeutta tarkemmin ja tyylikkäämmin kuin mikään aiemmin tunsimme.
Vladimir Guillen