Hogyan lehet az univerzumnak több dimenziója

A húrelmélet egy állítólagos elmélet, amely a fizikusok reményei szerint egy napon megmagyaráz majd … mindent.

Minden erő, minden részecske, minden állandó, minden dolog egyetlen elméleti tető alatt, ahol minden, amit látunk, apró, rezgő húrok eredménye. Az elméleti szakemberek az 1960-as évek óta dolgoznak ezen az elképzelésen, és az egyik első dolog, amire rájöttek, hogy ahhoz, hogy az elmélet működjön, több dimenziónak kell lennie, mint az általunk megszokott négy.

De ez az elképzelés nem is olyan őrült, mint amilyennek hangzik.

Related:

Dimenziós katasztrófa

A húrelméletben a rezgő húrszerűség kis hurkai (az elméletben ezek a valóság alapvető tárgyai) különböző részecskékként (elektronok, kvarkok, neutrínók stb.) és a természet erőhordozóiként (fotonok, gluonok, gravitonok stb.) nyilvánulnak meg. Ezt rezgéseiken keresztül teszik. Minden húr olyan apró, hogy számunkra nem tűnik többnek, mint egy pontszerű részecskének, de minden húr különböző rezgésmódokkal képes rezegni, ugyanúgy, ahogyan egy gitárhúrból is különböző hangokat lehet kihozni.

Minden rezgésmódról úgy gondolják, hogy egy másfajta részecskéhez kapcsolódik. Tehát az egyik módon rezgő húrok mindegyike az elektronokhoz hasonlít, a másik módon rezgő húrok mindegyike a fotonokhoz, és így tovább. Amit mi részecskeütközésként látunk, az a húrelmélet szerint egy csomó húr összeolvadása és szétválása.

De ahhoz, hogy a matematika működjön, az univerzumunkban négynél több dimenziónak kell lennie. Ez azért van, mert a mi szokásos téridőnk nem ad elég “helyet” a húroknak ahhoz, hogy mindenféleképpen rezegjenek, amire szükségük van ahhoz, hogy a részecskék minden fajtájaként teljes mértékben kifejezhessék magukat a világban. Egyszerűen túlságosan korlátozottak.

Más szóval, a húrok nem egyszerűen csak tekeregnek, hanem hiperdimenziósan tekeregnek.

A húrelmélet jelenlegi változatai összesen 10 dimenziót igényelnek, míg egy még hipotetikusabb, M-elmélet néven ismert über-húrelmélet 11-et. De amikor körülnézünk a világegyetemben, mindig csak a szokásos három térbeli dimenziót látjuk, plusz az idő dimenzióját. Egészen biztosak vagyunk benne, hogy ha a világegyetemnek négynél több dimenziója lenne, már észrevettük volna.

Hogyan egyeztethető össze a húrelmélet extra dimenziókra vonatkozó követelménye a világegyetemben szerzett mindennapi tapasztalatainkkal?

Göndör és kompakt

Hála Istennek, a húrelméleti teoretikusok képesek voltak rámutatni ennek a látszólag radikális elképzelésnek egy történelmi előzményére.

Még 1919-ben, nem sokkal azután, hogy Albert Einstein közzétette az általános relativitáselméletét, Theodor Kaluza matematikus és fizikus szórakozásból játszadozott az egyenletekkel. És valami különösen érdekeset talált, amikor egy ötödik dimenziót adott az egyenletekhez – semmi sem történt. A relativitáselmélet egyenletei nem igazán törődnek a dimenziók számával; ez olyasmi, amit hozzá kell adni ahhoz, hogy az elmélet alkalmazható legyen a mi univerzumunkra.

De aztán Kaluza egy különleges csavart adott ehhez az ötödik dimenzióhoz, hogy az “hengerfeltételnek” nevezett módon tekeredjen önmaga köré. Ez a feltétel valami újat hozott felszínre: Kaluza visszanyerte az általános relativitáselmélet szokásos egyenleteit a szokásos négy dimenzióban, plusz egy új egyenletet, amely megismételte az elektromágnesesség kifejezéseit.

Úgy tűnt, hogy a dimenziók hozzáadása potenciálisan egyesítheti a fizikát.

Visszatekintve, ez egy kis terelés volt.

Mégis, néhány évtizeddel később egy másik fizikus, Oskar Klein megpróbálta Kaluza ötletét a kvantummechanika szempontjából értelmezni. Azt találta, hogy ha ez az ötödik dimenzió létezik, és valamilyen módon felelős az elektromágnesességért, akkor ennek a dimenziónak össze kellett gyűrődnie, vissza kellett tekerednie önmaga köré (akárcsak Kaluza eredeti ötletében), de sokkal kisebbnek kellett lennie, egészen puszta 10^-35 méterig.

A húrelmélet sokféle sokrétűsége

Ha egy extra dimenzió (vagy dimenziók) valóban ilyen kicsi lenne, akkor mostanra már nem vettük volna észre. Annyira kicsi, hogy nem is remélhetnénk, hogy a nagyenergiás kísérleteinkkel közvetlenül szondázhatjuk. És ha ezek a dimenziók önmagukba burkolóznak, akkor minden egyes alkalommal, amikor a négydimenziós térben mozogsz, valójában milliárd és milliárd alkalommal kerülöd meg ezeket az extra dimenziókat.

És ezek azok a dimenziók, ahol a húrelmélet húrjai élnek.

További matematikai meglátásokkal kiderült, hogy a húrelméletben szükséges extra hat térbeli dimenziónak a konfigurációk egy bizonyos halmazába kell burkolóznia, amelyet két neves fizikus után Calabi-Yao sokaságoknak neveznek. De nincs egyetlen olyan egyedi sokaság, amelyet a sztringelmélet megenged.

Körülbelül 10^200.000 van.

Kiderült, hogy amikor hat dimenzióra van szükségünk, hogy önmagukba tekeredjenek, és szinte minden lehetséges módot megadunk nekik, hogy ezt megtegyék, ez … összeadódik.

Ez rengeteg különböző módot jelent arra, hogy ezeket az extra dimenziókat önmagukba tekerjük. És minden lehetséges konfiguráció befolyásolja a bennük lévő húrok rezgésének módját. Mivel a húrok rezgésének módja határozza meg, hogyan viselkednek itt fent a makroszkopikus világban, minden egyes választott sokféleség egy külön univerzumhoz vezet, saját fizikával.

Ezért csak egy sokféleség eredményezheti a világot, ahogy mi tapasztaljuk. De melyik?

Sajnos a húrelmélet nem tud választ adni, legalábbis még nem. Az a baj, hogy a húrelmélet még nincs kész – csak különböző közelítő módszereink vannak, amelyek reményeink szerint közelítenek a valósághoz, de jelenleg fogalmunk sincs, mennyire van igazunk. Tehát nincs matematikai technológiánk a lánc követésére, a konkrét sokaságtól a konkrét húrrezgésen át az univerzum fizikájáig.

A húrelmélet-elméleti szakemberek válasza valami, amit Tájképnek neveznek, a különböző sokaságok által megjósolt összes lehetséges univerzum multiverzuma, amelyben a mi univerzumunk csak egy pont a sok közül.

És ez az, ahol a húrelmélet ma áll, valahol a Tájképen.

• Einstein relativitáselmélete magyarázva (infografika)
• Képek:
• Mi következik a kozmológiában a gravitációs hullámok mérföldkőnek számító felfedezése után?

Paul M. Sutter a SUNY Stony Brook és a Flatiron Institute asztrofizikusa, a Ask a Spaceman és a Space Radio műsorvezetője, valamint a Your Place in the Universe című könyv szerzője.

Tudjon meg többet a “Megéri-e a húrelmélet?” című epizód meghallgatásával! (3. rész: A dimenzió a végzet)” a Ask A Spaceman podcaston, amely elérhető az iTunes-on és az interneten a http://www.askaspaceman.com címen. Köszönet John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. az ehhez a cikkhez vezető kérdésekért! Tedd fel saját kérdésedet a Twitteren a #AskASpaceman használatával, vagy kövesd Pault @PaulMattSutter és facebook.com/PaulMattSutter.

Kövess minket a Twitteren @Spacedotcom és a Facebookon.

.