Jak wszechświat mógłby mieć więcej wymiarów

Teoria strun jest rzekomą teorią wszystkiego, która, jak mają nadzieję fizycy, pewnego dnia wyjaśni… wszystko.

Wszystkie siły, wszystkie cząstki, wszystkie stałe, wszystkie rzeczy pod jednym teoretycznym dachem, gdzie wszystko, co widzimy jest wynikiem maleńkich, wibrujących strun. Teoretycy pracowali nad tym pomysłem od lat sześćdziesiątych, a jedną z pierwszych rzeczy, które sobie uświadomili, jest to, że aby teoria działała, musi być więcej wymiarów niż cztery, do których jesteśmy przyzwyczajeni.

Ale ten pomysł nie jest tak szalony, jak się wydaje.

Powiązane: Alternatywy dla teorii Wielkiego Wybuchu wyjaśnione (infografika)

Wymiarowa katastrofa

W teorii strun, małe pętle wibrującej strunowości (w teorii są one podstawowym obiektem rzeczywistości) manifestują się jako różne cząstki (elektrony, kwarki, neutrina, itp.) oraz jako nośniki sił w przyrodzie (fotony, gluony, grawitony, itp.). Odbywa się to poprzez ich wibracje. Każda struna jest tak maleńka, że wydaje się nam niczym więcej niż punktopodobną cząstką, ale każda struna może wibrować w różnych trybach, tak samo jak można uzyskać różne nuty ze struny gitary.

Każdy tryb wibracji jest uważany za odnoszący się do innego rodzaju cząstki. Tak 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, to w teorii strun garść strun łączących się ze sobą i rozdzielających się.

Ale aby matematyka działała, w naszym wszechświecie musi być więcej niż cztery wymiary. Dzieje się tak, ponieważ nasza zwykła czasoprzestrzeń nie daje strunom wystarczająco dużo „miejsca”, aby mogły wibrować na wszystkie sposoby, których potrzebują, aby w pełni wyrazić się jako wszystkie odmiany cząstek na świecie. Są one po prostu zbyt ograniczone.

Innymi słowy, struny nie tylko drgają, one drgają hiper-wymiarowo.

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

Jak wymóg teorii strun dotyczący dodatkowych wymiarów może być pogodzony z naszymi codziennymi doświadczeniami we wszechświecie?

Zwijane i zwarte

Na szczęście teoretycy strun byli w stanie wskazać historyczny antecedent dla tego pozornie radykalnego pojęcia.

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

Ale potem Kaluza dodał specjalny zwrot do tego piątego wymiaru, sprawiając, że zawija się on wokół siebie w sposób, który nazwał „warunkiem cylindra”. Ten wymóg sprawił, że pojawiło się coś nowego: Kaluza odzyskał zwykłe równania ogólnej teorii względności w zwykłych czterech wymiarach, plus nowe równanie, które replikowało wyrażenia elektromagnetyzmu.

Wyglądało na to, że dodanie wymiarów może potencjalnie zunifikować fizykę.

Z perspektywy czasu, był to trochę czerwony śledź.

Jeszcze kilka dekad później inny fizyk, Oskar Klein, próbował nadać pomysłowi Kaluzy interpretację w kategoriach mechaniki kwantowej. Odkrył on, że jeśli ten piąty wymiar istniał i był w jakiś sposób odpowiedzialny za elektromagnetyzm, to wymiar ten musiał być ściśnięty, zawijając się z powrotem wokół siebie (tak jak w oryginalnym pomyśle Kałuży), ale o wiele mniejszy, do zaledwie 10^-35 metrów.

Wielorakie rozmaitości teorii strun

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

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

Poprzez dalszą matematyczną analizę odkryto, że dodatkowe sześć wymiarów przestrzennych potrzebnych w teorii strun musi być zawinięte w szczególny zestaw konfiguracji, znanych jako kolektory Calabi-Yao od nazwiska dwóch wybitnych fizyków. Ale nie ma jednego unikalnego rozkładu, na który pozwala teoria strun.

Jest ich około 10^200,000.

Okazuje się, że kiedy potrzebujesz sześciu wymiarów do zawinięcia na siebie i dajesz im prawie każdy możliwy sposób, aby to zrobić, to … sumuje się.

To wiele różnych sposobów na zawinięcie tych dodatkowych wymiarów na siebie. A każda możliwa konfiguracja wpłynie na sposób, w jaki wibrują znajdujące się w nich struny. Ponieważ sposób, w jaki struny wibrują, określa, jak zachowują się tutaj, w makroskopowym świecie, każdy wybór rozmaitości prowadzi do odrębnego wszechświata z własnym zestawem fizyki.

Więc tylko jedna rozmaitość może dać początek światu, jakiego doświadczamy. Ale który?

Niestety, teoria strun nie może dać nam odpowiedzi, przynajmniej jeszcze nie teraz. Problem polega na tym, że teoria strun nie jest skończona – mamy tylko różne metody przybliżone, które, mamy nadzieję, zbliżają się do rzeczywistości, ale w tej chwili nie mamy pojęcia, na ile mamy rację. Nie mamy więc żadnej matematycznej technologii do śledzenia łańcucha, od konkretnego rozmaitości do konkretnych drgań strun do fizyki wszechświata.

Odpowiedzią teoretyków strun jest coś, co nazywa się Krajobrazem, multiwersum wszystkich możliwych wszechświatów przewidywanych przez różne rozmaitości, z naszym wszechświatem jako tylko jednym punktem wśród wielu.

I właśnie tam siedzi dziś teoria strun, gdzieś na Krajobrazie.

• Wyjaśnienie teorii względności Einsteina (infografika)
• Obrazy: Peering back to the Big Bang & early universe
• What’s next for cosmology after landmark gravitational wave discovery?

Paul M. Sutter jest astrofizykiem w SUNY Stony Brook i Flatiron Institute, gospodarzem Ask a Spaceman i Space Radio oraz autorem książki Your Place in the Universe.

Dowiedz się więcej słuchając odcinka „Is string theory worth it? (Część 3: Wymiar to przeznaczenie)” w podcaście Ask A Spaceman, dostępnym w iTunes i w sieci pod adresem http://www.askaspaceman.com. Podziękowania dla 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. za pytania, które doprowadziły do powstania tego artykułu! Zadaj własne pytanie na Twitterze używając #AskASpaceman lub śledząc Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter.

Śledź nas na Twitterze @Spacedotcom i na Facebooku.