Сколько измерений есть у нашей Вселенной?

79

АРИ в: Яндекс Гугл

Теоретическая физика — увлекательная и занимательная область исследований, предоставляющая временами забавные концепции в массовой культуре. Фактически, такие слова, как «ядерный», «квантовый» и «мультивселенная», часто являются ключевыми в сюжете любимых массовым потребителем фильмов или компьютерных игр.

С другой стороны, некоторые из наиболее популярных концепций теоретической физики больше похожи на философию и метафизику, чем на науку. Фактически, некоторым теориям даже удается стереть границы между наукой и религией, и они обычно встречают либо восторженное ликование, либо полное отвержение.

Рассмотрим идею «дополнительных измерений», которая, по мнению многих физиков, относится к гипотетической части науки и теории «мультивселенной». По правде говоря, теория дополнительных измерений имеет дело с возможным существованием дополнительных, свернутых измерений помимо тех, о которых мы знаем.

Вселенная

Иллюстрация pixabay

Хотя такие разговоры могут показаться чем-то надуманным или чисто умозрительным, на самом деле, физики, по крайней мере, на Западе, серьезно относятся к таким теориям — это жизненно важная часть научного сообщества и понимания того, как считают апологеты, как устроена наша Вселенная. Если и когда мы определим, сколько измерений имеет наша Вселенная (и что делает каждое из них), мы, наконец, получим Теорию всего и узнаем, как все это сочетается друг с другом.

Что такое измерение?

Термин «измерение» относится к любому математическому измерению, обычно, к физическому (объект или пространство) или временному измерению (время). Мы ежедневно сталкиваемся с тремя измерениями, которые определяют длину, ширину и глубину всех объектов в нашей Вселенной (оси x, y и z соответственно).

Однако, ученые утверждают, что для понимания законов природы необходимо включить «четвертое измерение», которым является время. Без этой координаты невозможно правильно измерить положение, скорость и ускорение объектов в нашей Вселенной. Недостаточно знать, где находится физический объект в трех пространственных координатах. Также нужно знать, когда и где был объект.

Физики-теоретики предположили, что помимо четырех измерений, во Вселенной могут быть скрытые измерения. Число измерений варьируется, но цель введения в теоретические конструкции дополнительных измерений — найти способы объединить законы Вселенной, что физики-теоретики пытаются сделать уже около ста лет.

Причина связана с двумя очень интересными областями изучения: квантовой механикой (КМ) и общей теорией относительности (ОТО). Эти теории возникли в начале 20 века. Для справки, Эйнштейн также внес свой вклад в развитие КМ через свои исследования поведения света. В любом случае, в то время как квантовая механика описывает, как энергия и материя ведут себя на атомном и субатомном уровнях, общая теория относительности описывает, как материя, энергия и пространство-время ведут себя в больших масштабах в гравитации.

Альберт Эйнштейн

На фото: Альберт Эйнштейн

Интересное, что величайшие научные умы почти столетие пытались выяснить, как эти две теории сочетаются друг с другом. Обе, кажется, прекрасно работают сами по себе, но непонятно, где они объединяются в единую систему, остается загадкой.

Четыре силы взаимодействия

После десятилетий исследований природы и ее законов, ученые определили, что все взаимодействия материи и энергии управляются четырьмя фундаментальными силами взаимодействия. Эти силы и фундаментальные частицы, из которых состоит вся материя (кварки, лептоны, калибровочные бозоны и скалярные бозоны), являются частью Стандартной модели физики элементарных частиц. Силы взаимодействия: гравитация, слабое ядерное, электромагнитное и сильное ядерное взаимодействие.

Гравитация является самой слабой из четырех сил и имеет дело с взаимодействиями между массивными объектами (астероидами, планетами, звездами, галактиками и крупномасштабной структурой Вселенной). Слабое ядерное взаимодействие связано с взаимодействием между субатомными частицами, ответственными за радиоактивный распад атомов, и связано с частицами меньше протона (бозонами).

Электромагнетизм связан с электронами (лептон), которые ответственны за электричество и все формы электромагнитного излучения. Сюда входят видимый свет, тепло, микроволны, радиоволны, ультрафиолетовое излучение и гамма-лучи.

Сильное ядерное взаимодействие управляет частицами размером с протоны и нейтроны (адроны) и названо так потому, что оно примерно в 137 раз сильнее, чем электромагнитное, в миллионы раз сильнее, чем слабое ядерное взаимодействие, и в 1038 раз сильнее, чем гравитация. Оно заставляет кварки объединяться, чтобы образовать более крупные протоны и нейтроны, и связывает их в атомные ядра.

Вот почему ученые вынуждены изучать физику в терминах КМ или ОТО, но, как правило, не обоих сразу. Из-за этого ученые пытались придумать теоретическую основу для объединения гравитации с другими силами. Попытки сделать это обычно подпадают под заголовок «квантовая гравитация» или Теория всего.

Калуца-Кляйн

На фото: Теодор Калуца и Оскар Кляйн

Сколько существует измерений?

Попытки создать единую полевую теорию гравитации и электромагнетизма восходят к немецкому физику Теодору Калуце (1885–1954 гг.). В 1921 году он опубликовал статью, в которой представил расширенную интерпретацию уравнений поля Эйнштейна. Эта теория была построена на 5-мерной Вселенной, которая включает в себя измерение, выходящее за рамки 4-мерных пространств и времени.

В 1926 году шведский физик-теоретик Оскар Кляйн предложил квантовую интерпретацию теории Калуцы. В предположении Кляйна, пятое измерение было свернуто. В 1930-х годах Эйнштейн и его коллеги из Принстона начали работу над теорией поля Калуцы. К 1940-м годам теория была формально завершена и получила название теории Калуцы-Клейна, она предсказала появление теории струн.

Теория струн была впервые предложена в 1960-х годах. К 1990-м годам появилось множество интерпретаций, включая теорию суперструн, петлевую квантовую гравитацию, М-теорию и супергравитацию. Каждая из этих теорий предполагает существование дополнительных измерений и гиперпространства.

Подводя итог, нужно сказать, что теория струн утверждает, что точечные частицы физики элементарных частиц на самом деле являются одномерными объектами, называемыми «струнами» — они напоминают обычные частицы, хотя их масса, заряд и другие свойства определяются колебательным состоянием струны. В одном состоянии струна соответствует гравитону, который вызывает гравитацию.

Теория суперструн

Теория суперструн, разновидность теории струн, требует существования 10 измерений. К ним относятся четыре известных нам измерения (длина, ширина, глубина, время), и еще шесть, которые мы не воспринимаем, они слишком малы.

М-теория, которая объединяет пять различных теорий суперструн, постулирует существование 11 измерений — десяти пространственных и одного временного. Этот вариант теории суперструн считается привлекательным из-за предсказываемых явлений. Во-первых, М-теория предсказывает существование гравитона, что согласуется с теорией струн в целом и предлагает объяснение квантовой гравитации.

Где находится край Вселенной

Иллюстрация pixabay

Во-вторых, она предсказывает «излучение Хокинга» — гипотетический процесс излучения чёрной дырой разнообразных элементарных частиц, за счет чего, она со временем теряют массу и распадается. Некоторые вариации теории суперструн также предсказывают существование мостов Эйнштейна-Розена, иначе «червоточины». Другой подход — петлевая квантовая гравитация, утверждает, что гравитация отличается от других фундаментальных сил и что само пространство-время состоит из квантованных дискретных битов в форме крошечных одномерных петель.

Некоторые версии теории супергравитации также продвигают 11-мерную модель пространства-времени с 4-мя общими измерениями и 7-мью измерениями гиперпространства. Также существует «теория бран», которая утверждает, что Вселенная состоит из многомерных вибрирующих «мембран», которые обладают массой и зарядом и могут распространяться в пространстве-времени.

На сегодняшний день, нет никаких экспериментальных доказательств существования «дополнительных измерений», «гиперпространства» или других теоретических свойств Вселенной, помимо четырех измерений, которые мы можем воспринимать.

Попытка объединения

Но, увы, вопрос остается. Если для того, чтобы законы физики имели смысл, необходимы дополнительные измерения, почему мы не можем экспериментально подтвердить их существование? Дело в том, что предполагаемые дополнительные измерения настолько крошечные, что не поддаются проверке с помощью приборов.

Соответственно, на данном этапе развития технологий, дополнительные измерения не могут быть измерены экспериментами. Для астрофизиков и физиков-теоретиков, идея о свернутых, дополнительных измерениях объясняет, почему Вселенная все еще существует спустя миллиарды лет после своего возникновения. Если бы эти размеры были больше, в них было бы достаточно вещества, чтобы вызвать гравитационный коллапс и образование черных дыр (которые поглотили бы остальную Вселенную).

Итак, если у Вселенной действительно есть дополнительные измерения, которые не поддаются проверке, то, как ученые собираются найти доказательства их существования и определить их свойства? Одна из возможностей — найти их с помощью экспериментов по физике элементарных частиц, подобных тем, которые проводятся Европейской организацией ядерных исследований (CERN) — операторами LHC — и другими лабораториями ускорителей элементарных частиц.

Другой способ — исследовать период, известный как «Космический рассвет», примерно через 100–500 миллионов лет после Большого взрыва, когда сформировались первые звезды и галактики. Даже если дополнительные измерения невозможно обнаружить, они с самого начала повлияли бы на эволюцию Вселенной.

Но астрономы не могут воспринимать так далеко назад во времени, поскольку ни один телескоп не был достаточно разработанным. Это изменится в ближайшем будущем благодаря инструментам следующего поколения, таким как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), римский космический телескоп Нэнси Грейс (RST), чрезвычайно большой телескоп (ELT) и гигантский телескоп Магеллана (GMT).

Однако, как и в случае с другими кандидатами в Теорию всего, вера в то, что Вселенная состоит из десяти или более измерений, является попыткой объединения — взять все физические законы, которые мы знаем, и попытаться объединить их друг с другом. В этом отношении, это похоже на сборку головоломки, в которой каждый кусочек имеет определенный смысл, но мы не осознаем, как выглядит общая картина.

Однако, недостаточно собрать кусочки вместе, как бы они ни казались совпадающими. Также необходимо иметь общее представление о том, что представляет собой материальная структура, называемая «Вселенная» — или хотя бы иметь приблизительное представление о том, как она будет выглядеть, когда она будет завершена. Это помогает направлять научные усилия в нужное русло.

Мэтью С. Уильямс, автор статей для научных журналов из США
Оригинал How Many Dimensions Does Our Universe Really Have?

4.5/5 - (6 голосов)
Предыдущая статьяНАСА отправило миссию к троянским астероидам
Следующая статьяКитай испытал секретную гиперзвуковую ракету