Sungguh pengantar teori superstring. Para peneliti sedang mencari kekuatan baru yang diprediksi oleh teori superstring. Pengantar Superstring

Pendahuluan………………………………………………………………………………….…….……3

1. Dasar-dasar teori string…………………………………..5

2. D-bran………………………………………………………………………………8

3. Pengukuran tambahan…………………………………….…..….10

4. Dualitas……………………………………………………………………………….…13

5. Teori-M…………………………………………………………….…15

6. Lubang hitam………………………………………………………….….18

Kesimpulan………………………………………………………………………………….……21

Daftar referensi…………………………….………..24

Perkenalan

Teori string adalah salah satu teori paling menarik dan mendalam dalam fisika teoretis modern. Sayangnya, hal ini masih merupakan hal yang agak sulit untuk dipahami, yang hanya dapat dipahami dari sudut pandang teori medan kuantum. Pengetahuan matematika seperti teori grup, geometri diferensial, dan lain-lain tidak akan mengganggu pemahaman. Oleh karena itu, bagi sebagian besar orang, hal itu tetap menjadi “sesuatu yang tersendiri”.

Saya memilih topik ini karena teori string merupakan bidang ilmu yang berkembang secara dinamis hingga saat ini; setiap hari membawa sesuatu yang baru tentangnya. Bidang ilmu ini cukup menarik karena tidak kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Tujuan laporan ini adalah untuk merangsang minat pendengar terhadap pertanyaan-pertanyaan di bawah ini. Sejauh ini kita belum mengetahui secara pasti apakah teori string menggambarkan Alam Semesta kita, dan sejauh mana. Tapi dia mungkin bisa menjelaskannya dengan baik, seperti yang bisa dilihat dalam laporan ini.

Meskipun Model Standar menggambarkan sebagian besar fenomena yang dapat kita amati dengan menggunakan akselerator modern, banyak pertanyaan mengenai Alam yang masih belum terjawab. Tujuan fisika teoretis modern justru untuk menyatukan deskripsi Alam Semesta. Secara historis, jalur ini cukup berhasil. Misalnya, Teori Relativitas Khusus Einstein menggabungkan listrik dan magnet menjadi gaya elektromagnetik. Karya Glashow, Weinberg dan Salam yang memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 1979 menunjukkan bahwa gaya elektromagnetik dan gaya lemah dapat digabungkan menjadi gaya elektrolemah. Lebih jauh lagi, terdapat banyak alasan untuk percaya bahwa semua kekuatan dalam Model Standar pada akhirnya akan bersatu. Jika kita mulai membandingkan interaksi kuat dan interaksi elektrolemah, maka kita harus pergi ke wilayah yang energinya semakin tinggi hingga kekuatannya setara di wilayah tersebut.

GeV. Gravitasi akan bergabung pada energi dengan orde .

Tujuan teori string justru untuk menjelaskan tanda " ? " pada diagram di atas.

Skala energi karakteristik gravitasi kuantum disebut massa Planck dan dinyatakan dalam konstanta Planck, kecepatan cahaya, dan konstanta gravitasi sebagai berikut:

Dapat diasumsikan bahwa dalam bentuk akhirnya, teori string akan memberikan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan berikut:

• Apa asal usul 4 kekuatan Alam yang kita ketahui?
• Mengapa massa dan muatan partikel seperti itu?
• Mengapa kita hidup di ruang dengan 4 dimensi spasial?
• Apa sifat ruang-waktu dan gravitasi?

Ini adalah pertanyaan-pertanyaan yang akan saya coba jawab dalam pekerjaan saya.

1.Dasar-dasar teori string

Kita terbiasa menganggap partikel elementer (seperti elektron) sebagai objek 0 dimensi yang berbentuk titik. Yang lebih umum adalah konsep string fundamental sebagai objek 1 dimensi. Mereka sangat tipis, dan panjangnya kira-kira

. Namun hal ini tidak berarti apa-apa jika dibandingkan dengan panjang yang biasa kita gunakan, jadi kita bisa menganggapnya praktis seperti titik. Namun seperti yang akan kita lihat, sifat stringnya cukup penting.

String bisa terbuka atau tertutup. Saat bergerak melintasi ruang-waktu, mereka menutupi permukaan yang disebut lembaran dunia.

String ini memiliki mode getaran spesifik yang menentukan bilangan kuantum yang melekat pada partikel, seperti massa, putaran, dll. Ide dasarnya adalah bahwa setiap mode membawa sekumpulan bilangan kuantum yang sesuai dengan jenis partikel tertentu. Ini adalah penyatuan terakhir - semua partikel dapat dijelaskan melalui satu objek - sebuah string!

Sebagai contoh, perhatikan string tertutup yang terlihat seperti ini:

String seperti itu berhubungan dengan graviton tak bermassa dengan spin 2 - sebuah partikel yang membawa interaksi gravitasi. Omong-omong, ini adalah salah satu ciri teori string - teori ini secara alami dan tak terelakkan memasukkan gravitasi sebagai salah satu interaksi mendasar.

String berinteraksi melalui fisi dan fusi. Misalnya, pemusnahan dua string tertutup menjadi satu string tertutup terlihat seperti ini:

Perhatikan bahwa permukaan lembaran dunia merupakan permukaan yang halus. Ini menyiratkan sifat "baik" lain dari teori string - teori ini tidak memiliki sejumlah divergensi yang melekat dalam teori medan kuantum dengan partikel titik. Diagram Feynman untuk proses yang sama

berisi singularitas topologi pada titik interaksi.

Jika kita “merekatkan” dua interaksi string sederhana, kita mendapatkan proses di mana dua string tertutup berinteraksi melalui penyatuan menjadi string tertutup perantara, yang kemudian dipecah lagi menjadi dua:

Sumbangan besar dalam proses interaksi ini disebut pendekatan arboreal. Untuk menghitung amplitudo proses mekanika kuantum menggunakan teori perturbasi, kontribusi dari proses kuantum tingkat tinggi ditambahkan. Teori perturbasi memberikan hasil yang baik karena kontribusinya semakin kecil seiring kita menggunakan tatanan yang lebih tinggi dan lebih tinggi. Meskipun Anda hanya menghitung beberapa diagram pertama, Anda bisa mendapatkan hasil yang cukup akurat. Dalam teori string, tatanan yang lebih tinggi berhubungan dengan lebih banyak lubang (atau "pegangan") di lembaran dunia.

Hal yang baik tentang pendekatan ini adalah bahwa setiap orde teori gangguan hanya berhubungan dengan satu diagram (misalnya, dalam teori medan dengan partikel titik, jumlah diagram bertambah secara eksponensial dalam orde yang lebih tinggi). Kabar buruknya adalah perhitungan akurat diagram dengan lebih dari dua lubang sangat sulit karena rumitnya peralatan matematika yang digunakan saat bekerja dengan permukaan tersebut. Teori perturbasi sangat berguna dalam mempelajari proses kopling lemah, dan sebagian besar penemuan di bidang fisika partikel dan teori string berhubungan dengannya. Namun, semua ini masih jauh dari selesai. Jawaban atas pertanyaan terdalam teori hanya dapat diperoleh setelah uraian teori yang akurat telah lengkap.

2.D-bran

String dapat mempunyai kondisi batas yang berubah-ubah. Misalnya, string tertutup memiliki kondisi batas periodik (string “berubah menjadi dirinya sendiri”). String terbuka dapat memiliki dua jenis kondisi batas - kondisi Neumann dan kondisi Dirichlet. Dalam kasus pertama, ujung tali dapat bergerak bebas, meskipun tanpa menghilangkan momentum apapun. Dalam kasus kedua, ujung senar dapat bergerak sepanjang beberapa manifold. Manifold ini disebut bran D atau bran Dp (menggunakan notasi kedua, “p” adalah bilangan bulat yang mencirikan jumlah dimensi spasial manifold). Contohnya adalah dua string yang salah satu atau kedua ujungnya terikat pada bran D 2 dimensi atau bran D2:

D-brane dapat memiliki sejumlah dimensi spasial dari -1 hingga jumlah dimensi spasial ruang-waktu kita. Misalnya dalam teori superstring ada 10 dimensi - 9 spasial dan satu waktu. Jadi, dalam superstring, maksimum yang bisa ada adalah bran D9. Perhatikan bahwa dalam kasus ini ujung-ujung senar dipasang pada manifold yang menutupi seluruh ruang, sehingga dapat bergerak kemana-mana, sehingga berlaku kondisi Neumann! Dalam kasus p=-1, semua koordinat spasial dan temporal adalah tetap, dan konfigurasi seperti itu disebut instanton atau D-instanton. Jika p=0, maka semua koordinat spasial adalah tetap, dan ujung string hanya dapat berada pada satu titik dalam ruang, sehingga bran D0 sering disebut partikel D. Dengan cara yang persis sama, bran D1 disebut string-D. Ngomong-ngomong, kata “bran” sendiri berasal dari kata “membran”, yang mengacu pada bran 2 dimensi, atau bran 2.

Teori superstring

Secara singkat tentang teori superstring

Teori ini terlihat sangat gila sehingga kemungkinan besar benar!

Berbagai versi teori string kini dianggap sebagai pesaing utama gelar teori universal komprehensif yang menjelaskan hakikat segala sesuatu yang ada. Dan ini adalah semacam Cawan Suci bagi fisikawan teoretis yang terlibat dalam teori partikel elementer dan kosmologi. Teori universal (alias teori segalanya) hanya berisi beberapa persamaan yang menggabungkan seluruh pengetahuan manusia tentang sifat interaksi dan sifat-sifat unsur dasar materi yang menjadi dasar terbentuknya Alam Semesta. Saat ini, teori string telah digabungkan dengan konsep tersebut supersimetri, sebagai akibatnya lahir teori superstring, dan sampai saat ini merupakan hasil maksimal yang telah dicapai dalam hal menyatukan teori keempat interaksi utama (gaya yang bekerja di alam). Teori supersimetri sendiri sudah dibangun atas dasar konsep modern apriori, yang menyatakan bahwa setiap interaksi jarak jauh (medan) disebabkan oleh pertukaran partikel pembawa interaksi dari jenis yang sesuai antara partikel yang berinteraksi (Model Standar). Untuk lebih jelasnya, partikel yang berinteraksi dapat dianggap sebagai “batu bata” alam semesta, dan partikel pembawa dapat dianggap sebagai semen.

Dalam model standar, quark bertindak sebagai blok penyusun, dan pembawa interaksi bertindak sebagai mengukur boson, yang dipertukarkan oleh quark ini satu sama lain. Teori supersimetri melangkah lebih jauh dan menyatakan bahwa quark dan lepton sendiri bukanlah hal yang mendasar: mereka semua terdiri dari struktur (bahan penyusun) materi yang lebih berat dan tidak ditemukan secara eksperimental, disatukan oleh “semen” partikel energi super yang bahkan lebih kuat. -pembawa interaksi daripada quark dalam komposisi hadron dan boson. Tentu saja, belum ada prediksi teori supersimetri yang diuji di laboratorium, tetapi komponen hipotetis tersembunyi dari dunia material sudah memiliki nama - misalnya, pemilih(pasangan elektron supersimetris), persegi dll. Namun, keberadaan partikel-partikel ini diprediksi secara jelas oleh teori-teori semacam ini.

Namun, gambaran Alam Semesta yang ditawarkan oleh teori-teori ini cukup mudah untuk divisualisasikan. Pada skala sekitar 10–35 m, yaitu 20 kali lipat lebih kecil dari diameter proton yang sama, yang mencakup tiga quark terikat, struktur materi berbeda dari yang biasa kita lihat bahkan pada tingkat partikel elementer. . Pada jarak yang begitu kecil (dan pada interaksi energi yang begitu tinggi sehingga tidak dapat dibayangkan) materi berubah menjadi serangkaian gelombang berdiri di lapangan, mirip dengan gelombang yang tereksitasi dalam dawai alat musik. Ibarat senar gitar, senar seperti itu bisa menggairahkan, selain nada utamanya, banyak nada tambahan atau harmonik Setiap harmonik mempunyai keadaan energinya sendiri. Berdasarkan prinsip relativitas(Teori relativitas), energi dan massa adalah ekuivalen, artinya semakin tinggi frekuensi getaran gelombang harmonik dawai maka semakin tinggi pula energinya, dan semakin tinggi pula massa partikel yang diamati.

Namun jika cukup mudah untuk memvisualisasikan gelombang berdiri pada senar gitar, maka gelombang berdiri yang dikemukakan oleh teori superstring sulit untuk divisualisasikan - faktanya getaran superstring terjadi dalam ruang yang memiliki 11 dimensi. Kita terbiasa dengan ruang empat dimensi, yang memuat tiga dimensi spasial dan satu dimensi temporal (kiri-kanan, atas-bawah, maju-mundur, masa lalu-masa depan). Di ruang superstring, segalanya menjadi lebih rumit (lihat kotak). Fisikawan teoretis mengatasi masalah rumit dimensi spasial “ekstra” dengan menyatakan bahwa dimensi tersebut “tersembunyi” (atau, dalam istilah ilmiah, “dipadatkan”) dan oleh karena itu tidak teramati pada energi biasa.

Baru-baru ini, teori string telah dikembangkan lebih lanjut dalam bentuk teori membran multidimensi- intinya, ini adalah senar yang sama, tetapi datar. Seperti yang dilontarkan oleh salah satu penulisnya, membran berbeda dari string sama seperti mie berbeda dari bihun.

Mungkin hanya ini yang bisa diceritakan secara singkat tentang salah satu teori yang, bukan tanpa alasan, saat ini diklaim sebagai teori universal tentang Penyatuan Besar semua interaksi gaya. Sayangnya, teori ini bukannya tanpa dosa. Pertama-tama, ia belum dibawa ke bentuk matematika yang ketat karena kurangnya peralatan matematika untuk membawanya ke dalam korespondensi internal yang ketat. 20 tahun telah berlalu sejak teori ini lahir, dan belum ada seorang pun yang mampu secara konsisten mendamaikan beberapa aspek dan versinya dengan aspek dan versi lainnya. Yang lebih tidak menyenangkan lagi adalah sejauh ini belum ada satu pun ahli teori yang mengusulkan teori string (dan terutama superstring) yang mengajukan eksperimen tunggal di mana teori-teori ini dapat diuji di laboratorium. Sayangnya, saya khawatir sampai mereka melakukan ini, semua pekerjaan mereka akan tetap menjadi permainan fantasi dan latihan yang aneh dalam memahami pengetahuan esoterik di luar arus utama ilmu pengetahuan alam.

Pengantar Superstring

terjemahan oleh Sergei Pavlyuchenko

Teori string adalah salah satu teori paling menarik dan mendalam dalam fisika teoretis modern. Sayangnya, hal ini masih merupakan hal yang agak sulit untuk dipahami, yang hanya dapat dipahami dari sudut pandang teori medan kuantum. Pengetahuan matematika seperti teori grup, geometri diferensial, dan lain-lain tidak akan mengganggu pemahaman. Oleh karena itu, bagi sebagian besar orang, hal itu tetap menjadi “sesuatu yang tersendiri”.

Pengenalan ini dimaksudkan sebagai pengenalan singkat yang "mudah dibaca" tentang konsep dasar teori string bagi mereka yang berminat. Sayangnya, kita harus membayar ketelitian dan kelengkapan untuk aksesibilitas presentasi. Kami berharap ini akan memberi Anda jawaban atas pertanyaan paling sederhana tentang teori string, dan Anda akan merasakan keindahan bidang sains ini.

Teori string merupakan bidang ilmu yang berkembang secara dinamis hingga saat ini; setiap hari membawa sesuatu yang baru tentangnya. Kita belum mengetahui secara pasti apakah teori string menggambarkan Alam Semesta kita dan sejauh mana. Tapi dia bisa menggambarkannya dengan baik, seperti terlihat dari ulasan ini.

Versi aslinya ada di http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html.

Mengapa teori string?

Meskipun Model Standar menggambarkan sebagian besar fenomena yang dapat kita amati dengan menggunakan akselerator modern, banyak pertanyaan mengenai Alam yang masih belum terjawab. Tujuan fisika teoretis modern justru untuk menyatukan deskripsi Alam Semesta. Secara historis, jalur ini cukup berhasil. Misalnya, Teori Relativitas Khusus Einstein menggabungkan listrik dan magnet menjadi gaya elektromagnetik. Karya Glashow, Weinberg dan Salam yang memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 1979 menunjukkan bahwa gaya elektromagnetik dan gaya lemah dapat digabungkan menjadi gaya elektrolemah. Lebih jauh lagi, terdapat banyak alasan untuk percaya bahwa semua kekuatan dalam Model Standar pada akhirnya akan bersatu. Jika kita mulai membandingkan interaksi kuat dan interaksi elektrolemah, maka kita harus beralih ke wilayah yang energinya semakin tinggi hingga kekuatannya setara di wilayah GeV. Gravitasi akan bergabung pada energi dengan orde .

Tujuan teori string justru untuk menjelaskan tanda” ? " pada diagram di atas.

Skala energi karakteristik gravitasi kuantum disebut Massa papan dan dinyatakan melalui konstanta Planck, kecepatan cahaya dan konstanta gravitasi sebagai berikut:

Dapat diasumsikan bahwa dalam bentuk akhirnya, teori string akan memberikan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan berikut:

• Apa asal usul 4 kekuatan Alam yang kita ketahui?
• Mengapa massa dan muatan partikel seperti itu?
• Mengapa kita hidup di ruang dengan 4 dimensi spasial?
• Apa sifat ruang-waktu dan gravitasi?

  Dasar-dasar Teori String

  Kita terbiasa menganggap partikel elementer (seperti elektron) sebagai objek 0 dimensi yang berbentuk titik. Konsep yang agak lebih umum adalah string mendasar sebagai objek 1 dimensi. Mereka sangat tipis, dan panjangnya sekitar . Namun hal ini tidak berarti apa-apa jika dibandingkan dengan panjang yang biasanya kita tangani, jadi kita bisa menganggapnya seperti titik. Namun seperti yang akan kita lihat, sifat stringnya cukup penting.

  Ada string membuka Dan tertutup. Saat mereka bergerak melalui ruang-waktu, mereka menutupi permukaan yang disebut lembar dunia.

  

  String ini memiliki mode getaran spesifik yang menentukan bilangan kuantum yang melekat pada partikel, seperti massa, putaran, dll. Ide dasarnya adalah bahwa setiap mode membawa sekumpulan bilangan kuantum yang sesuai dengan jenis partikel tertentu. Ini adalah penyatuan terakhir - semua partikel dapat dijelaskan melalui satu objek - sebuah string!

  Sebagai contoh, perhatikan string tertutup yang terlihat seperti ini:

  String seperti itu sesuai dengan yang tidak bermassa graviton dengan spin 2 - partikel yang mentransfer interaksi gravitasi. Omong-omong, ini adalah salah satu ciri teori string - teori ini secara alami dan tak terelakkan memasukkan gravitasi sebagai salah satu interaksi mendasar.

  String berinteraksi melalui fisi dan fusi. Misalnya, pemusnahan dua string tertutup menjadi satu string tertutup terlihat seperti ini:

  
  

  Perhatikan bahwa permukaan lembaran dunia merupakan permukaan yang halus. Ini menyiratkan sifat "baik" lain dari teori string - teori ini tidak memiliki sejumlah divergensi yang melekat dalam teori medan kuantum dengan partikel titik. Diagram Feynman untuk proses yang sama

  

  berisi singularitas topologi pada titik interaksi.

  Jika kita “merekatkan” dua interaksi string sederhana, kita mendapatkan proses di mana dua string tertutup berinteraksi melalui penyatuan menjadi string tertutup perantara, yang kemudian dipecah lagi menjadi dua:
  

  Sumbangan besar dalam proses interaksi ini disebut pendekatan arboreal. Untuk menghitung amplitudo mekanika kuantum dari proses menggunakan teori gangguan, tambahkan kontribusi dari proses kuantum tingkat tinggi. Teori perturbasi memberikan hasil yang baik karena kontribusinya semakin kecil seiring kita menggunakan tatanan yang lebih tinggi dan lebih tinggi. Meskipun Anda hanya menghitung beberapa diagram pertama, Anda bisa mendapatkan hasil yang cukup akurat. Dalam teori string, tatanan yang lebih tinggi berhubungan dengan jumlah lubang (atau "pegangan") yang lebih banyak pada lembaran dunia.
  
  

  Hal yang baik tentang pendekatan ini adalah bahwa setiap orde teori gangguan hanya berhubungan dengan satu diagram (misalnya, dalam teori medan dengan partikel titik, jumlah diagram bertambah secara eksponensial dalam orde yang lebih tinggi). Kabar buruknya adalah perhitungan akurat diagram dengan lebih dari dua lubang sangat sulit karena rumitnya peralatan matematika yang digunakan saat bekerja dengan permukaan tersebut. Teori perturbasi sangat berguna dalam mempelajari proses berpasangan lemah, dan sebagian besar penemuan dalam fisika partikel dan teori string berasal dari teori tersebut. Namun, semua ini masih jauh dari selesai. Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan terdalam teori ini hanya dapat diperoleh setelah uraian yang akurat mengenai teori ini telah lengkap.

  bran-D

  String dapat mempunyai kondisi batas yang berubah-ubah. Misalnya, string tertutup memiliki kondisi batas periodik (string “berubah menjadi dirinya sendiri”). String terbuka dapat memiliki dua jenis kondisi batas – kondisi Neumann dan kondisi Dirichlet. Dalam kasus pertama, ujung tali dapat bergerak bebas, meskipun tanpa menghilangkan momentum apapun. Dalam kasus kedua, ujung senar dapat bergerak sepanjang beberapa manifold. Keanekaragaman ini disebut bran-D atau Dp-bran(bila menggunakan notasi kedua, “p” adalah bilangan bulat yang mencirikan jumlah dimensi spasial manifold). Contohnya adalah dua string yang salah satu atau kedua ujungnya terikat pada bran D 2 dimensi atau bran D2:

  

  D-brane dapat memiliki sejumlah dimensi spasial dari -1 hingga jumlah dimensi spasial ruang-waktu kita. Misalnya dalam teori superstring ada 10 dimensi - 9 spasial dan satu waktu. Jadi, dalam superstring, maksimum yang bisa ada adalah bran D9. Perhatikan bahwa dalam kasus ini ujung-ujung senar dipasang pada manifold yang menutupi seluruh ruang, sehingga dapat bergerak kemana-mana, sehingga berlaku kondisi Neumann! Dalam kasus p=-1, semua koordinat spasial dan temporal adalah tetap, dan konfigurasi seperti itu disebut instan atau D-instanton. Jika p=0, maka semua koordinat spasial adalah tetap, dan ujung string hanya dapat berada pada satu titik dalam ruang, sehingga bran D0 sering disebut partikel D. Dengan cara yang persis sama, bran D1 disebut string-D. Ngomong-ngomong, kata “bran” sendiri berasal dari kata “membran”, yang mengacu pada bran 2 dimensi, atau bran 2.

  Pada kenyataannya, bran-D bersifat dinamis; dapat berfluktuasi dan bergerak. Misalnya, mereka berinteraksi secara gravitasi. Pada diagram di bawah ini Anda dapat melihat bagaimana satu string tertutup (dalam kasus kita graviton) berinteraksi dengan bran D2. Yang perlu diperhatikan secara khusus adalah fakta bahwa ketika berinteraksi, tali tertutup menjadi terbuka dengan kedua ujungnya berada pada bran-D.
  
  
  Jadi, teori string lebih dari sekedar teori string!

  Dimensi tambahan

  Superstring ada di ruang-waktu 10 dimensi, sedangkan kita hidup di ruang-waktu 4 dimensi. Dan jika superstring menggambarkan Alam Semesta kita, kita perlu menghubungkan kedua ruang ini. Untuk melakukan ini, mari kita ciutkan 6 dimensi ke ukuran yang sangat kecil. Jika ukuran dimensi kompak ternyata berada di urutan ukuran string (), maka karena kecilnya dimensi ini kita tidak akan bisa melihatnya secara langsung. Pada akhirnya, kita akan mendapatkan ruang berdimensi (3+1), di mana setiap titik di Alam Semesta 4 dimensi kita berhubungan dengan ruang kecil 6 dimensi. Hal ini ditunjukkan secara skematis pada gambar di bawah ini:

  

  Ini sebenarnya adalah ide yang cukup lama yang berasal dari karya Kaluza dan Klein pada tahun 1920an. Dalam hal ini, mekanisme yang dijelaskan di atas disebut Teori Kaluza-Klein atau pemadatan. Karya Kaluza sendiri menunjukkan bahwa jika kita mengambil relativitas dalam ruang-waktu 5 dimensi, lalu melipat satu dimensi menjadi lingkaran, kita mendapatkan ruang-waktu 4 dimensi dengan relativitas plus elektromagnetisme! Dan ini terjadi karena adanya elektromagnetisme teori pengukur U(1).. U(1) adalah sekelompok rotasi mengelilingi suatu titik pada bidang. Mekanisme Kaluza-Klein memberikan interpretasi geometris sederhana dari lingkaran ini - ini adalah dimensi kelima yang paling terlipat. Meskipun pengukuran terlipat berukuran kecil untuk deteksi langsung, namun pengukuran tersebut dapat memiliki arti fisik yang dalam. [Secara tidak sengaja bocor ke pers, karya Kaluza dan Klein memicu banyak spekulasi tentang dimensi kelima.]

  Bagaimana kita bisa mengetahui apakah memang ada dimensi ekstra dan bagaimana kita bisa “merasakannya” jika kita memiliki akselerator dengan energi yang cukup tinggi? Dari mekanika kuantum diketahui bahwa jika ruang bersifat periodik, maka momentumnya terkuantisasi: , sedangkan jika ruang tidak terbatas, maka spektrum nilai momentumnya kontinu. Jika jari-jari pemadatan (ukuran dimensi tambahan) diperkecil, maka kisaran nilai momentum yang diizinkan akan bertambah. Ini adalah bagaimana menara keadaan momentum diperoleh - menara Kaluza Klein.

  

  Dan jika jari-jari lingkaran dianggap sangat besar (kita “membongkar” pengukurannya), maka kisaran nilai momentum yang mungkin akan sangat sempit, tetapi akan “hampir kontinu”. Spektrum seperti itu akan serupa dengan spektrum massa dunia tanpa pemadatan. Misalnya, negara-negara yang tidak bermassa dalam jumlah dimensi yang lebih besar dalam jumlah dimensi yang lebih kecil akan terlihat persis seperti menara negara-negara yang dijelaskan di atas. Kemudian “kumpulan” partikel dengan massa yang berjarak sama satu sama lain harus diamati. Benar, untuk “melihat” partikel paling masif, diperlukan akselerator yang jauh lebih baik daripada yang kita miliki saat ini.

  Senar memiliki sifat luar biasa lainnya - mereka dapat "membungkus" dimensi yang dipadatkan, yang mengarah pada penampilan mod yang bisa dinegosiasikan dalam spektrum massa. String tertutup dapat membungkus dimensi yang dipadatkan beberapa kali bilangan bulat. Mirip dengan kasus Kaluza-Klein, mereka berkontribusi terhadap momentum sebagai . Perbedaan yang signifikan justru terletak pada hubungannya yang berbeda dengan radius pemadatan. Dalam hal ini, untuk ukuran kecil dengan dimensi ekstra, mode pembalikan menjadi sangat mudah!
  
  

  Sekarang kita perlu pindah ke ruang 4 dimensi. Untuk melakukan ini kita memerlukan teori superstring 10 dimensi pada manifold kompak 6 dimensi. Tentu saja gambaran di atas menjadi lebih kompleks. Cara termudah adalah dengan mengasumsikan bahwa keenam dimensi tersebut adalah 6 lingkaran, sehingga semuanya mewakili torus 6 dimensi. Selain itu, skema ini memungkinkan seseorang untuk mempertahankan supersimetri. Dipercaya bahwa beberapa supersimetri juga ada di ruang 4 dimensi kita pada skala energi orde 1 TeV (pada energi inilah supersimetri baru-baru ini dicari pada akselerator modern). Untuk mempertahankan supersimetri minimal, N=1 dalam 4 dimensi, perlu dilakukan pemadatan pada manifold 6 dimensi khusus yang disebut Keanekaragaman Calabi-Yau.

  Sifat manifold Calabi-Yo dapat diterapkan penting pada fisika energi rendah—pada partikel yang kita amati, massa dan bilangan kuantumnya, serta jumlah generasi partikel. Masalahnya di sini adalah, secara umum, varietas Calabi-Yo sangat banyak, dan kita tidak tahu mana yang akan digunakan. Artinya, dengan memiliki satu teori string 10 dimensi, kita mendapatkan bahwa teori 4 dimensi bukan satu-satunya yang mungkin, setidaknya pada tingkat pemahaman kita (yang masih belum lengkap). Para “orang string” (ilmuwan yang bekerja di bidang teori string) mempunyai harapan bahwa dengan teori string non-perturbatif yang lengkap (sebuah teori yang TIDAK dibangun berdasarkan gangguan yang dijelaskan sedikit di atas), kita akan dapat menjelaskan bagaimana Alam semesta beralih dari fisika 10 dimensi, yang mungkin terjadi pada periode energi tinggi segera setelah Big Bang, ke fisika 4 dimensi yang kita bahas sekarang. [Dengan kata lain, kita akan menemukan manifold Calabi-Yo yang unik.] Andrew Strominger menunjukkan bahwa manifold Calabi-Yo dapat terus berhubungan satu sama lain dengan transformasi berbentuk kerucut dan dengan demikian seseorang dapat berpindah di antara manifold Calabi-Yo yang berbeda dengan mengubah parameter teorinya. Namun hal ini menunjukkan kemungkinan bahwa teori 4 dimensi berbeda yang muncul dari manifold Calabi-Yo berbeda merupakan fase berbeda dari teori yang sama.

  Dualitas

  Kelima teori superstring yang diuraikan di atas ternyata sangat berbeda dari sudut pandang teori perturbatif berpasangan lemah (teori perturbasi yang dikembangkan di atas). Namun pada kenyataannya, seperti yang telah menjadi jelas dalam beberapa tahun terakhir, semuanya terhubung oleh berbagai dualitas string. Sebut saja teorinya ganda jika mereka menggambarkan fisika yang sama.

  Jenis dualitas pertama yang akan kita bahas di sini adalah T-dualitas. Dualitas jenis ini menghubungkan teori yang dipadatkan pada radius lingkaran dengan teori yang dipadatkan pada radius lingkaran. Jadi, jika dalam satu teori ruang dilipat menjadi lingkaran berjari-jari kecil, maka dalam teori lain ruang akan digulung menjadi lingkaran berjari-jari besar, tetapi keduanya akan menggambarkan fisika yang sama! Teori superstring tipe IIA dan tipe IIB terhubung melalui dualitas-T, teori heterotik SO(32) dan E8 x E8 juga terhubung melaluinya.

  Dualitas lain yang akan kita lihat adalah S-dualitas. Sederhananya, dualitas ini menghubungkan batas penggandengan kuat suatu teori dengan batas penggandengan lemah teori lain. (Perhatikan bahwa deskripsi kedua teori yang digabungkan secara longgar bisa sangat berbeda.) Misalnya, SO(32) Teori string heterotik dan teori Tipe I adalah S-dual dalam 10 dimensi. Artinya pada batas kopling kuat SO(32) teori Heterotic menjadi teori Tipe I pada batas kopling lemah dan sebaliknya. Anda dapat menemukan bukti dualitas antara batas kuat dan batas lemah dengan membandingkan spektrum keadaan cahaya di setiap gambar dan menemukan bahwa spektrum tersebut konsisten satu sama lain. Misalnya, dalam teori string Tipe I terdapat senar D yang berat jika digandeng lemah dan ringan jika digandeng kuat. D-string ini membawa medan cahaya yang sama dengan world sheet SO(32) Heterotic String, jadi ketika teori Tipe I digabungkan dengan sangat kuat, D-string menjadi sangat ringan, dan kita akan melihat deskripsinya menjadi sama, seperti serta melalui string Heterotic yang digabungkan secara longgar. Dualitas S lainnya di dimensi ke-10 adalah dualitas diri dari string IIB: batas berpasangan kuat dari string IIB hanyalah teori IIB lainnya, tetapi digabungkan secara lemah. Teori IIB juga mempunyai senar D (walaupun lebih supersimetris dibandingkan senar D pada teori Tipe I, sehingga fisikanya berbeda) yang menjadi ringan jika digabungkan dengan kuat, namun senar D ini juga merupakan senar fundamental lainnya dari teori Tipe I. teori ii Tipe IIB.

  

  Dualitas antara teori string yang berbeda adalah bukti bahwa semuanya hanyalah batasan yang berbeda dari teori yang sama. Masing-masing batasan memiliki penerapannya sendiri, dan batasan yang berbeda dengan deskripsi yang berbeda saling tumpang tindih. Apa ini Teori-M ditunjukkan pada gambar? Baca terus!

  Teori-M

  Pada energi rendah, teori-M dijelaskan oleh teori yang disebut Supergravitasi 11 dimensi. Teori ini memiliki membran dan bran lima sebagai soliton, tetapi tidak memiliki string. Bagaimana kita bisa mendapatkan string yang kita sukai di sini? Teori M 11 dimensi dapat dipadatkan pada lingkaran berjari-jari kecil untuk mendapatkan teori 10 dimensi. Lalu jika membran kita memiliki topologi torus, maka dengan melipat salah satu lingkaran tersebut kita akan mendapatkan string tertutup! Dalam batas radius yang sangat kecil, kita mendapatkan superstring Tipe IIA.

  

  Tapi bagaimana kita tahu bahwa teori-M pada lingkaran akan menghasilkan superstring Tipe IIA, dan bukan superstring IIB atau heterotik? Jawaban atas pertanyaan ini dapat diperoleh setelah analisis cermat terhadap medan tak bermassa yang kita peroleh sebagai hasil pemadatan supergravitasi 11 dimensi pada sebuah lingkaran. Tes sederhana lainnya adalah menemukan bahwa teori-M bran-D unik untuk teori IIA. Ingatlah bahwa teori IIA mengandung bran D0, D2, D4, D6, D8 dan bran lima NS. Tabel berikut merangkum hal di atas:
  

  Di sini bran D6 dan D8 dihilangkan. Brane D6 dapat diartikan sebagai “monopole Kalutza-Klein”, yang merupakan solusi khusus supergravitasi 11 dimensi ketika dipadatkan menjadi sebuah lingkaran. Brane D8 tidak memiliki interpretasi yang jelas dalam kaitannya dengan teori M, dan masih menjadi pertanyaan terbuka.

  Cara lain untuk mendapatkan teori 10 dimensi yang konsisten adalah dengan memadatkan teori-M menjadi segmen kecil. Artinya kita berasumsi bahwa salah satu dimensi (dimensi ke-11) mempunyai panjang berhingga. Dalam hal ini, ujung-ujung ruas menentukan batas-batas 9 dimensi spasial. Membran terbuka dapat dibangun pada batas-batas ini. Karena perpotongan membran dengan batasnya adalah sebuah string, kita dapat melihat bahwa “worldvolume” berdimensi (9+1) dapat berisi string yang “mencuat” dari membran. Setelah semua ini, untuk menghindari anomali, setiap batas perlu membawa kelompok pengukur E8. Oleh karena itu, jika kita membuat jarak antar batas menjadi sangat kecil, kita mendapatkan teori 10 dimensi dengan string dan grup pengukur E8 x E8. Dan ini adalah string heterotik E8 x E8!

  

  Jadi, dengan mempertimbangkan kondisi yang berbeda dan dualitas yang berbeda antara teori string, kita akan sampai pada kesimpulan bahwa semua ini didasarkan pada satu teori - Teori-M. Selain itu, lima teori superstring dan supergravitasi 11 dimensi adalah batasan klasiknya. Awalnya, kami mencoba mendapatkan teori kuantum yang sesuai dengan “memperluas” batasan klasik menggunakan teori perturbatif (teori perturbasi). Namun teori perturbatif mempunyai batas penerapannya, sehingga dengan mempelajari aspek non-perturbatif dari teori-teori tersebut, menggunakan dualitas, supersimetri, dll. kita sampai pada kesimpulan bahwa mereka semua disatukan oleh satu teori kuantum. Keunikan ini sangat menarik, sehingga upaya membangun teori M kuantum yang lengkap sedang berjalan lancar.
  
  

  Lubang hitam

  Deskripsi klasik gravitasi - Teori Relativitas Umum (GTR) - berisi solusi yang disebut "lubang hitam" (BH). Ada beberapa jenis lubang hitam, namun semuanya menunjukkan sifat umum yang serupa. Horizon peristiwa adalah permukaan dalam ruang-waktu yang, secara sederhana, memisahkan wilayah di dalam lubang hitam dengan wilayah di luarnya. Daya tarik gravitasi lubang hitam begitu kuat sehingga tidak ada apa pun, bahkan cahaya, yang menembus bawah cakrawala, yang dapat lolos kembali. Dengan demikian, lubang hitam klasik hanya dapat dideskripsikan menggunakan parameter seperti massa, muatan, dan momentum sudut.

  (penjelasan diagram Penrose a)

  Lubang hitam adalah laboratorium yang baik untuk mempelajari teori string, karena efek gravitasi kuantum penting bahkan untuk lubang hitam yang cukup besar. Lubang hitam sebenarnya tidak "hitam" karena ia memancarkan! Dengan menggunakan argumen semiklasik, Stephen Hawking menunjukkan bahwa lubang hitam memancarkan radiasi termal dari cakrawalanya. Karena teori string, antara lain, juga merupakan teori gravitasi kuantum, teori ini mampu menjelaskan lubang hitam secara konsisten. Dan kemudian ada lubang hitam yang memenuhi persamaan gerak string. Persamaan ini mirip dengan persamaan dari Relativitas Umum, namun memiliki beberapa bidang tambahan yang berasal dari string. Dalam teori superstring terdapat solusi khusus seperti lubang hitam, yang juga supersimetris.

  Salah satu hasil paling dramatis dalam teori string adalah penurunan rumus Entropi Bekenstein-Hawking Lubang hitam diperoleh dengan mempertimbangkan keadaan string mikroskopis yang membentuk lubang hitam. Bekenstein mencatat bahwa lubang hitam mematuhi “hukum luas”, dM = K dA, di mana “A” adalah luas cakrawala dan “K” adalah konstanta proporsionalitas. Karena massa total lubang hitam adalah energi diamnya, situasinya sangat mirip dengan termodinamika: dE = T dS, seperti yang ditunjukkan oleh Bekenstein. Hawking kemudian menunjukkan dalam pendekatan semiklasik bahwa suhu lubang hitam adalah T = 4k, dengan "k" adalah konstanta yang disebut "gravitasi permukaan". Dengan demikian, entropi lubang hitam dapat ditulis ulang menjadi . Selain itu, baru-baru ini Strominger dan Vafa menunjukkan bahwa rumus entropi ini dapat diperoleh secara mikroskopis (hingga faktor 1/4) menggunakan degenerasi keadaan kuantum string dan bran D yang sesuai dengan BH supersimetris tertentu dalam teori string. Ngomong-ngomong, bran D memberikan gambaran pada jarak kecil seolah-olah berpasangan lemah. Misalnya, BH yang dipertimbangkan oleh Strominger dan Vafa dijelaskan oleh bran 5, bran 1, dan string terbuka yang "hidup" pada bran 1, semuanya dilipat menjadi torus 5 dimensi, yang secara efektif menghasilkan objek 1 dimensi - BH.

  

  Dalam hal ini, radiasi Hawking dapat digambarkan dalam kerangka struktur yang sama, tetapi jika string terbuka dapat “melakukan perjalanan” ke dua arah. String terbuka berinteraksi satu sama lain dan radiasi dipancarkan dalam bentuk string tertutup.

  

  Perhitungan yang tepat menunjukkan bahwa untuk jenis lubang hitam yang sama, teori string membuat prediksi yang sama seperti supergravitasi semiklasik, termasuk koreksi bergantung pada frekuensi nontrivial yang disebut “parameter abu-abu” ( faktor benda abu-abu).

  Gravitasi kuantum ditemukan di Bumi?
  

  << Вчера

  Besok >>

  
  Penjelasan: Apakah ada bagian gravitasi yang terpisah? Teori yang dikenal dengan mekanika kuantum menjelaskan hukum yang mengatur alam semesta pada jarak kecil, sedangkan Teori Relativitas Umum Einstein menjelaskan sifat gravitasi dan alam semesta dalam skala besar. Hingga saat ini, belum tercipta teori yang dapat menyatukan keduanya. Penelitian yang baru-baru ini dilakukan di Perancis mungkin menunjukkan bahwa gravitasi adalah medan kuantum. Dinyatakan bahwa medan gravitasi bumi menunjukkan sifat kuantumnya. Dalam percobaan yang dilakukan oleh Valery Nezvizhevsky dan rekan-rekannya, ditunjukkan bahwa neutron ultradingin yang bergerak dalam medan gravitasi hanya terdeteksi pada ketinggian tertentu. Para ilmuwan di seluruh dunia sedang menunggu konfirmasi independen atas hasil ini. Gambar tersebut menunjukkan dalam warna palsu permukaan yang dapat terbentuk selama evolusi string satu dimensi. Dengan mendeskripsikan partikel elementer sebagai string kecil, banyak fisikawan berupaya mengembangkan teori gravitasi kuantum yang sebenarnya.

  (Catatan Editor: Eksperimen fisikawan Perancis dan Rusia dijelaskan dalam catatan ini, diterbitkan di Alam 415 , 297 (2002) tidak ada hubungannya dengan gravitasi kuantum. Penjelasan mereka(keduanya diberikan oleh penulis eksperimen dan diberikan di majalah New Scientist dan di situs Physicsweb.org) benar-benar berbeda.

  Para peneliti mencari kekuatan baru yang diprediksi oleh teori superstring

  Para peneliti di Universitas Colorado di Boulder mampu melakukan eksperimen paling sensitif hingga saat ini untuk mengukur interaksi gravitasi antara massa yang dipisahkan oleh jarak hanya dua kali ketebalan rambut manusia, namun mereka tidak mengamati satupun kekuatan baru yang diprediksi. .

  Hasil yang diperoleh memungkinkan untuk mengecualikan beberapa varian teori superstring, di mana parameter pengaruh gaya baru yang sesuai dari pengukuran "runtuh" ​​berada dalam kisaran 0,1 hingga 0,01 mm.

  Teori string, yang dianggap sebagai pendekatan paling menjanjikan terhadap penyatuan besar yang telah lama ditunggu-tunggu—penjelasan tunggal tentang semua gaya dan materi yang diketahui—meyakini bahwa segala sesuatu di alam semesta terdiri dari putaran kecil string yang bergetar. Menurut berbagai versi teori superstring, setidaknya harus ada enam atau tujuh dimensi spasial tambahan di luar tiga dimensi yang dapat kita akses, dan para ahli teori percaya bahwa dimensi tambahan ini dipecah menjadi ruang-ruang kecil. "Pemadatan" ini memunculkan apa yang disebut bidang moduli, yang menggambarkan ukuran dan bentuk dimensi terlipat di setiap titik dalam ruangwaktu.

  Daerah modulus mengerahkan gaya yang kekuatannya sebanding dengan gravitasi biasa, dan menurut prediksi terbaru, gaya tersebut dapat dideteksi pada jarak sekecil 0,1 mm. Batas sensitivitas yang dicapai pada percobaan sebelumnya memungkinkan untuk menguji gaya tarik menarik antara dua massa yang terpisah hanya 0,2 mm, sehingga pertanyaannya tetap terbuka. Namun, saat ini masih tetap terbuka.

  “Jika gaya-gaya ini benar-benar ada, maka kita sekarang tahu bahwa gaya-gaya tersebut akan muncul pada jarak yang lebih pendek dari yang kami uji,” jelas kepala laboratorium, profesor di Universitas Colorado John Price teori ii. Anda hanya perlu mengingat bahwa efeknya harus dicari pada jarak yang lebih pendek dan menggunakan pengaturan dengan sensitivitas yang lebih tinggi." Selain itu, para peneliti mengklaim bahwa eksperimen semacam itu sendiri tidak dimaksudkan untuk mengkonfirmasi atau menyangkal teori superstring. “Ide-ide yang kami uji hanyalah sebagian dari kemungkinan skenario yang diilhami oleh string, bukan prediksi tepat dari teori itu sendiri,” kata John Price kepada Space.com. “Belum ada cara bagi teori string untuk membuat prediksi tepat seperti itu. ” , dan menurut saya tidak ada yang tahu apakah teori string akan mampu melakukan hal ini." Namun, eksperimen pada jarak yang lebih kecil mungkin masih “menambahkan lebih banyak perubahan pada bidang fisika,” sehingga penting untuk melanjutkan penelitian semacam ini karena “sesuatu yang baru dan “sangat mendasar” dapat ditemukan.”

  Pengaturan eksperimental para peneliti dari Universitas Colorado, yang disebut resonator frekuensi tinggi, terdiri dari dua pelat tungsten tipis (panjang 20 mm dan tebal 0,3 mm). Salah satu pelat tersebut dibuat bergetar pada frekuensi 1000 Hz. Pergerakan lempeng kedua yang disebabkan oleh pengaruh lempeng pertama diukur dengan alat elektronik yang sangat sensitif. Kita berbicara tentang gaya yang diukur dalam femtonewtons (10–15 n), atau sepersejuta berat sebutir pasir. Gaya gravitasi yang bekerja pada jarak pendek ternyata cukup tradisional, seperti yang dijelaskan oleh hukum Newton yang terkenal.

  Profesor Price berharap untuk melanjutkan eksperimen untuk mencoba mengukur gaya pada jarak yang lebih pendek. Untuk mengambil langkah berikutnya, para peneliti di Colorado melepaskan perisai safir berlapis emas di antara strip tungsten yang menghalangi gaya elektromagnetik dan menggantinya dengan foil tembaga-berilium yang lebih tipis, sehingga memungkinkan massa untuk bergerak saling mendekat. Mereka juga berencana untuk mendinginkan pengaturan eksperimental untuk mengurangi gangguan dari fluktuasi termal.

  Terlepas dari nasib teori superstring, gagasan tentang dimensi ekstra, yang diperkenalkan hampir seratus tahun yang lalu (pada saat itu banyak fisikawan yang mengolok-oloknya), menjadi sangat populer karena krisis model fisik standar yang tidak mampu menjelaskannya. pengamatan baru. Salah satu fakta yang paling mencolok adalah percepatan perluasan Alam Semesta, yang memiliki banyak bukti. Sebuah kekuatan baru yang misterius, yang saat ini disebut energi gelap, sedang mendorong ruang angkasa kita menjadi terpisah, bertindak seperti semacam antigravitasi. Tidak ada yang tahu fenomena fisik apa yang melatarbelakangi hal ini. Apa yang diketahui oleh para kosmolog adalah bahwa meskipun gravitasi menyatukan galaksi-galaksi pada tingkat “lokal”, kekuatan misterius mendorong mereka untuk terpisah. HAI dalam skala yang lebih besar.

  Energi gelap dapat dijelaskan melalui interaksi antar dimensi, baik yang kita lihat maupun yang masih tersembunyi dari kita, demikian keyakinan beberapa ahli teori. Pada pertemuan tahunan AAAS (Asosiasi Amerika untuk Kemajuan Ilmu Pengetahuan) yang diadakan di Denver awal bulan ini, para kosmolog dan fisikawan terkemuka menyatakan optimisme yang hati-hati mengenai hal ini.

  “Ada harapan bahwa pendekatan baru ini akan menyelesaikan seluruh rangkaian masalah sekaligus,” kata fisikawan Sean Carroll, asisten profesor di Universitas Chicago.

  Semua masalah ini pasti bertumpu pada gravitasi, yang gayanya telah dihitung oleh Newton lebih dari tiga abad yang lalu. Gravitasi adalah gaya fundamental pertama yang dijelaskan secara matematis, namun masih merupakan gaya yang paling kurang dipahami. Mekanika kuantum, yang dikembangkan pada tahun 20-an abad lalu, menggambarkan dengan baik perilaku benda pada tingkat atom, tetapi tidak terlalu “bersahabat” dengan gravitasi. Faktanya adalah meskipun gravitasi bekerja dalam jarak yang jauh, ia masih sangat lemah dibandingkan dengan tiga gaya fundamental lainnya (elektromagnetik, interaksi kuat dan lemah yang mendominasi mikrokosmos). Pemahaman gravitasi pada tingkat kuantum diharapkan dapat menghubungkan mekanika kuantum dengan gambaran lengkap tentang gaya-gaya lainnya.

  Secara khusus, para ilmuwan untuk waktu yang lama tidak dapat menentukan apakah hukum Newton (kesebandingan terbalik gaya dengan kuadrat jarak) berlaku pada jarak yang sangat kecil, dalam apa yang disebut dunia kuantum. Newton mengembangkan teorinya untuk jarak astronomi, seperti interaksi Matahari dengan planet, namun kini ternyata teori tersebut juga berlaku di mikrokosmos.

  “Apa yang terjadi saat ini dalam fisika partikel, fisika gravitasi, dan kosmologi sangat mengingatkan kita pada saat mekanika kuantum mulai bersatu,” kata Maria Spiropulu, peneliti di Universitas Chicago dan penyelenggara Lokakarya AAAS tentang Fisika Ekstra Dimensi (fisika dimensi ekstra).

  Untuk pertama kalinya kecepatan gravitasi dapat diukur

  

  Fisikawan Rusia Sergei Kopeikin, yang bekerja di Universitas Missouri di Kolombia, dan Edward Fomalont dari Amerika dari National Radio Astronomy Observatory di Charlottesville, Virginia, mengatakan bahwa mereka adalah orang pertama yang mengukur kecepatan gravitasi dengan akurasi yang dapat diterima. Eksperimen mereka membenarkan pendapat sebagian besar fisikawan: kecepatan gravitasi sama dengan kecepatan cahaya. Ide ini mendasari teori-teori modern, termasuk Teori Relativitas Umum Einstein, namun sejauh ini belum ada yang mampu mengukur besaran tersebut secara langsung dalam sebuah eksperimen. Penelitian ini dirilis pada hari Selasa pada pertemuan ke-201 American Astronomical Society di Seattle. Hasilnya sebelumnya telah diajukan untuk dipublikasikan di jurnal ilmiah, namun mendapat kritik dari beberapa ahli. Kopeikin sendiri menilai kritik tersebut tidak berdasar.

  Teori gravitasi Newton mengasumsikan bahwa efek gravitasi terjadi seketika, namun Einstein mengusulkan bahwa gravitasi bergerak dengan kecepatan cahaya. Postulat ini menjadi salah satu landasan Teori Relativitasnya pada tahun 1915.

  Kesetaraan kecepatan gravitasi dan kecepatan cahaya berarti bahwa jika Matahari tiba-tiba menghilang dari pusat tata surya, Bumi akan tetap berada pada orbitnya selama kurang lebih 8,3 menit - waktu yang dibutuhkan cahaya untuk melakukan perjalanan dari pusat tata surya. Matahari ke Bumi. Setelah beberapa menit ini, Bumi, yang merasa terbebas dari gravitasi matahari, akan meninggalkan orbitnya dan terbang ke luar angkasa dalam garis lurus.

  Bagaimana cara mengukur "kecepatan gravitasi"? Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan mencoba mendeteksi gelombang gravitasi - "riak" kecil dalam kontinum ruang-waktu yang menyimpang dari massa yang mengalami percepatan. Berbagai instalasi untuk menangkap gelombang gravitasi telah dibangun dalam jumlah besar, namun sejauh ini belum ada satupun yang mampu mendeteksi efek tersebut karena kelemahannya yang luar biasa.

  Kopeikin menempuh jalur berbeda. Dia menulis ulang persamaan Relativitas Umum untuk menyatakan medan gravitasi benda bergerak dalam bentuk massa, kecepatan, dan kecepatan gravitasi. Diputuskan untuk menggunakan Jupiter sebagai benda masif. Kesempatan yang agak langka terjadi pada bulan September 2002, ketika Jupiter lewat di depan sebuah quasar (peristiwa seperti itu terjadi kira-kira setiap 10 tahun sekali), yang memancarkan gelombang radio secara intensif. Kopeikin dan Fomalont menggabungkan pengamatan dari selusin teleskop radio di berbagai belahan dunia, dari Hawaii hingga Jerman (menggunakan teleskop radio 25 meter dari National Radio Astronomy Observatory dan instrumen Jerman 100 meter di Effelsberg) untuk mengukur menit perubahan nyata pada posisi quasar yang disebabkan oleh pembelokan gelombang radio dari sumber ini di medan gravitasi Jupiter. Dengan mempelajari sifat pengaruh medan gravitasi Yupiter terhadap gelombang radio yang melintas, mengetahui massa dan kecepatan geraknya, maka kecepatan gravitasi dapat dihitung.

  Kerja sama teleskop radio berbasis bumi memungkinkan tercapainya akurasi 100 kali lebih besar daripada yang dapat dicapai dengan Teleskop Luar Angkasa Hubble. Perpindahan yang diukur dalam percobaan ini sangat kecil - perubahan posisi quasar (jarak sudut antara quasar dan quasar referensi diukur) berada dalam 50 sepersejuta detik busur. Setara dengan pengukuran tersebut bisa jadi seukuran satu dolar perak di Bulan atau ketebalan rambut manusia dari jarak 250 mil, kata para astronom (sumber-sumber Barat, rupanya, tidak berpikir untuk memperhatikan arti dari pengukuran Rusia. nama belakang salah satu penulis penelitian, jika tidak, mereka tidak akan membandingkan ukuran dengan dolar, dan dengan unit moneter kita...).

  Hasil yang diperoleh: gravitasi ditransmisikan dengan kecepatan cahaya 0,95, kemungkinan kesalahan percobaan plus atau minus 0,25. “Kami sekarang tahu bahwa kecepatan gravitasi mungkin sama dengan kecepatan cahaya,” kata Fomalont. “Dan kami dengan yakin dapat mengesampingkan hasil yang dua kali lipatnya.”

  Steven Carlip, seorang profesor fisika di Universitas California, mengatakan eksperimen tersebut merupakan “demonstrasi yang baik” dari prinsip Einstein. Dia mengatakan eksperimen tersebut didahului dengan pengukuran pembelokan cahaya oleh Matahari, namun pengukurannya kurang tepat. Selain itu, pengukuran kecepatan gravitasi baru dalam waktu dekat harus memperjelas nilai ini. Sejumlah interferometer gelombang gravitasi telah digunakan dalam beberapa bulan terakhir, salah satunya pada akhirnya akan mendeteksi gelombang gravitasi secara langsung dan dengan demikian mengukur kecepatannya - sebuah konstanta fundamental penting di Alam Semesta kita.

  Namun, perlu dicatat bahwa eksperimen itu sendiri bukanlah konfirmasi yang jelas terhadap teori gravitasi Einstein. Dengan keberhasilan yang sama, hal ini dapat dianggap sebagai konfirmasi terhadap teori-teori alternatif yang ada. Misalnya, teori relativistik gravitasi (RTG) dari Akademisi Logunov, yang dikenal masyarakat umum sekitar sepuluh tahun yang lalu, tidak menyimpang dari relativitas umum dalam hal ini. Ada juga gelombang gravitasi di RTG, meski seperti diketahui, tidak ada lubang hitam. Dan satu lagi “sanggahan” terhadap teori gravitasi Newton tidak mempunyai nilai khusus. Namun demikian, hasil ini penting dari sudut pandang “menutup” beberapa versi teori modern dan mendukung yang lain - ini terkait dengan teori kosmologis tentang banyak alam semesta dan apa yang disebut teori string atau superstring, tetapi masih terlalu dini untuk ditarik. kesimpulan akhir, kata para peneliti. Dalam teori M terpadu terbaru, yang merupakan pengembangan dari teori superstring, selain "string", objek multidimensi baru telah muncul - bran. Teori superstring pada dasarnya mencakup gravitasi, karena perhitungan berdasarkan teori tersebut selalu memprediksi keberadaan graviton, partikel hipotetis tak berbobot dengan putaran 2. Diasumsikan bahwa ada dimensi spasial tambahan, hanya “runtuh”. Dan gravitasi dapat mengambil "jalan pintas" melalui dimensi ekstra ini, yang tampaknya bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya, namun tanpa melanggar persamaan Relativitas Umum.

  Dua fisikawan relativistik menyajikan pandangan mereka tentang Alam Semesta,
  evolusinya dan peran teori kuantum

  DI DALAM Amerika Ilmiah kuliah-kuliah ini diterbitkan dengan singkatan, tempat-tempat yang sesuai dalam teks ditandai dengan elips

  Perkenalan

  Pada tahun 1994, Stephen Hawking dan Roger Penrose memberikan serangkaian kuliah umum tentang relativitas umum di Institut Ilmu Matematika Isaac Newton di Universitas Cambridge. Majalah kami menyajikan kutipan dari ceramah tersebut, yang diterbitkan tahun ini oleh Princeton University Press dengan judul "The Nature of Space and Time", yang membandingkan pandangan kedua ilmuwan ini. Meskipun keduanya berasal dari aliran fisika yang sama (Penrose membantu disertasi doktoral Hawking di Cambridge), pandangan mereka tentang peran mekanika kuantum dalam evolusi alam semesta sangat berbeda satu sama lain. Secara khusus, Hawking dan Penrose memiliki gagasan berbeda tentang apa yang terjadi pada informasi yang disimpan dalam lubang hitam dan mengapa awal mula alam semesta berbeda dari akhir.

  Salah satu penemuan besar Hawking, yang dibuat pada tahun 1973, adalah prediksi bahwa, akibat efek kuantum, lubang hitam dapat mengeluarkan partikel. Akibat proses ini, lubang hitam menguap, dan pada akhirnya ada kemungkinan tidak ada yang tersisa dari massa aslinya. Namun dalam proses pembentukannya, lubang hitam menyerap banyak partikel yang jatuh di atasnya dengan jenis, sifat, dan konfigurasi yang berbeda-beda. Meskipun teori kuantum mengharuskan informasi tersebut disimpan, rincian tentang apa yang terjadi selanjutnya masih menjadi topik perdebatan sengit. Hawking dan Penrose sama-sama percaya bahwa ketika lubang hitam mengeluarkan emisi, informasi yang dikandungnya akan hilang. Namun Hawking menegaskan bahwa kehilangan ini tidak dapat tergantikan, sementara Penrose berpendapat bahwa hal ini diimbangi dengan pengukuran spontan keadaan kuantum yang memberikan informasi kembali ke lubang hitam.

  Kedua ilmuwan sepakat bahwa teori gravitasi kuantum masa depan diperlukan untuk menggambarkan alam. Namun pandangan mereka berbeda pada beberapa aspek teori ini. Penrose percaya bahwa meskipun interaksi fundamental partikel elementer simetris terhadap pembalikan waktu, gravitasi kuantum akan mematahkan simetri tersebut. Asimetri waktu akan menjelaskan mengapa alam semesta bermula dengan seragam (seperti yang ditunjukkan oleh radiasi latar gelombang mikro yang dihasilkan oleh Big Bang), sedangkan pada akhirnya alam semesta pastilah heterogen.

  Penrose mencoba memasukkan asimetri serupa dalam hipotesisnya tentang kelengkungan Weyl. Ruang-waktu, menurut Albert Einstein, melengkung karena kehadiran materi. Namun ruangwaktu juga dapat mengalami deformasi bawaan, yang disebut kelengkungan Weyl. Gelombang gravitasi dan lubang hitam, misalnya, memungkinkan ruangwaktu membelok bahkan di wilayah yang kosong. Di alam semesta awal, kelengkungan Weyl mungkin nol, tetapi di alam semesta yang sekarat, menurut pendapat Penrose, sejumlah besar lubang hitam akan menyebabkan peningkatan kelengkungan Weyl. Inilah perbedaan antara awal dan akhir alam semesta.

  Hawking setuju bahwa big bang dan keruntuhan terakhir ("Big crunch") akan berbeda, namun ia tidak menganggap asimetri waktu sebagai hukum alam. Alasan utama perbedaan ini, menurutnya, adalah jalur yang diprogramkan untuk pengembangan alam semesta. Ia mendalilkan semacam demokrasi, menyatakan bahwa tidak mungkin ada satu titik pun di ruang angkasa di alam semesta; dan karena itu, alam semesta tidak mempunyai batas. Usulan tanpa batas inilah yang menurut Hawking dapat menjelaskan homogenitas radiasi latar gelombang mikro.

  Pandangan kedua fisikawan mengenai penafsiran mekanika kuantum juga berbeda secara mendasar. Hawking percaya bahwa satu-satunya tujuan teori adalah membuat prediksi yang konsisten dengan data eksperimen. Penrose percaya bahwa perbandingan sederhana antara prediksi dan eksperimen tidak cukup untuk menjelaskan kenyataan. Ia menunjukkan bahwa teori kuantum, yang memerlukan superposisi fungsi gelombang, adalah konsep yang dapat menimbulkan absurditas. Para ilmuwan ini membawa perdebatan terkenal antara Einstein dan Bohr tentang konsekuensi aneh teori kuantum ke tingkat yang baru.

  Stephen Hawking tentang lubang hitam kuantum:

  Teori kuantum lubang hitam... nampaknya memperkenalkan tingkat ketidakpastian baru dalam fisika di luar ketidakpastian mekanika kuantum yang biasa. Ini karena lubang hitam tampaknya memiliki entropi internal dan kehilangan informasi dari wilayah alam semesta kita. Saya harus mengatakan bahwa klaim ini sangat kontroversial: banyak ilmuwan yang bekerja di bidang gravitasi kuantum, termasuk hampir semua orang yang mempelajarinya dari fisika partikel, secara naluriah menolak gagasan bahwa informasi tentang keadaan sistem kuantum dapat hilang. Namun, pandangan ini belum banyak berhasil menjelaskan bagaimana informasi bisa lolos dari lubang hitam. Pada akhirnya, saya percaya bahwa mereka akan dipaksa untuk menerima usulan saya bahwa informasi telah hilang, sama seperti mereka dipaksa untuk menerima bahwa lubang hitam mengeluarkan emisi, yang bertentangan dengan semua prasangka mereka...

  Fakta bahwa gravitasi itu menarik berarti di alam semesta ada kecenderungan materi berkumpul di satu tempat, kecenderungan terbentuknya benda-benda seperti bintang dan galaksi. Kompresi lebih lanjut dari objek-objek ini dapat ditahan selama beberapa waktu oleh tekanan termal, pada kasus bintang, atau oleh rotasi dan gerakan internal, pada kasus galaksi. Namun pada akhirnya panas atau momentum sudut akan terbawa dan benda akan mulai menyusut kembali. Jika massanya kurang dari satu setengah massa matahari, kompresi dapat dihentikan dengan tekanan gas elektron atau neutron yang mengalami degenerasi. Objek tersebut masing-masing akan stabil menjadi katai putih atau bintang neutron. Namun, jika massanya lebih besar dari batas ini, maka tidak ada yang dapat menghentikan kompresi stabil tersebut. Begitu kompresi suatu benda mendekati ukuran kritis tertentu, medan gravitasi pada permukaannya akan menjadi sangat kuat sehingga kerucut cahaya akan miring ke dalam.... Kita dapat melihat bahwa sinar cahaya yang keluar pun melengkung satu sama lain, sehingga mereka menjadi lebih dekat satu sama lain, bukannya terpisah. Artinya ada permukaan yang tertutup....

  Oleh karena itu, pasti ada wilayah ruang-waktu yang mustahil untuk dilepaskan hingga jarak tak terhingga. Wilayah ini disebut lubang hitam. Batasnya disebut event horizon, yaitu permukaan yang dibentuk oleh sinar cahaya yang tidak mampu lepas hingga tak terhingga....

  Sejumlah besar informasi hilang ketika benda kosmik runtuh membentuk lubang hitam. Objek yang runtuh dijelaskan oleh sejumlah besar parameter. Keadaannya ditentukan oleh jenis materi dan momen multipol dari distribusi massanya. Meskipun demikian, lubang hitam yang terbentuk sepenuhnya tidak bergantung pada jenis materinya dan dengan cepat kehilangan semua momen multipol kecuali dua momen pertama: monopole, yaitu massa, dan dipol, yaitu momentum sudut.

  Hilangnya informasi ini sebenarnya tidak menjadi masalah dalam teori klasik. Dapat dikatakan bahwa semua informasi mengenai benda yang runtuh tersebut berakhir di dalam lubang hitam. Bagi pengamat di luar lubang hitam, akan sangat sulit menentukan seperti apa objek yang runtuh tersebut. Namun, dalam teori klasik hal ini pada prinsipnya masih mungkin dilakukan. Pengamat tidak akan pernah benar-benar melupakan objek yang runtuh tersebut. Sebaliknya, tampak baginya bahwa kontraksi objek tersebut melambat dan menjadi semakin redup saat mendekati cakrawala peristiwa. Pengamat ini masih bisa melihat terbuat dari apa benda yang runtuh itu dan bagaimana distribusi massanya.

  Namun, dari sudut pandang teori kuantum, segalanya berubah total. Selama keruntuhan, objek hanya akan memancarkan sejumlah foton sebelum melintasi cakrawala peristiwa. Foton-foton ini tidak cukup untuk menyampaikan kepada kita semua informasi mengenai objek yang runtuh. Ini berarti bahwa dalam teori kuantum tidak ada cara bagi pengamat eksternal untuk menentukan keadaan suatu benda. Orang mungkin berpikir bahwa hal ini tidak terlalu menjadi masalah karena informasinya akan tetap berada di dalam lubang hitam, meskipun tidak dapat diukur dari luar. Namun justru inilah kasus di mana efek kedua dari teori kuantum lubang hitam terwujud....

  Teori kuantum memaksa lubang hitam mengeluarkan dan kehilangan massa. Dan ternyata mereka akhirnya hilang sama sekali – bersama dengan informasi di dalamnya. Saya ingin menyatakan bahwa informasi ini memang hilang dan tidak dikembalikan dalam bentuk apa pun. Seperti yang akan saya tunjukkan nanti, dengan hilangnya informasi ini, ketidakpastian masuk ke dalam fisika pada tingkat yang lebih tinggi daripada ketidakpastian yang biasa dikaitkan dengan teori kuantum. Sayangnya, tidak seperti hubungan ketidakpastian Heisenberg, tingkat ketidakpastian baru ini akan cukup sulit dikonfirmasi secara eksperimental pada kasus lubang hitam.

  Roger Penrose tentang teori kuantum dan ruang-waktu:

  Teori kuantum, relativitas khusus, relativitas umum, dan teori medan kuantum adalah teori fisika terbesar abad ke-20. Teori-teori ini tidak independen satu sama lain: relativitas umum dibangun atas dasar relativitas khusus, dan teori medan kuantum mempunyai relativitas khusus dan teori kuantum sebagai dasarnya.

  Secara umum dikatakan bahwa teori medan kuantum adalah teori fisika paling akurat yang pernah ada, akurat hingga 11 desimal. Namun, saya ingin menunjukkan bahwa relativitas umum kini telah diuji dalam 14 tempat desimal (dan keakuratan ini jelas hanya dibatasi oleh keakuratan jam yang berjalan di Bumi). Saya sedang berbicara tentang pulsar biner Hulse-Taylor PSR 1913+16, sepasang bintang neutron yang berputar relatif satu sama lain, salah satunya adalah pulsar. Relativitas umum memperkirakan bahwa orbit seperti itu berkontraksi secara perlahan (dan periodenya berkurang) karena energi hilang akibat emisi gelombang gravitasi. Proses ini memang telah diamati secara eksperimental, dan gambaran lengkap geraknya, yang diamati selama 20 tahun... sesuai dengan teori relativitas umum (yang mencakup teori Newton) dengan akurasi luar biasa yang disebutkan di atas. Para peneliti sistem bintang ini berhak menerima Hadiah Nobel atas pekerjaan mereka. Para ahli teori kuantum selalu berpendapat, dengan alasan keakuratan teori mereka, bahwa relativitas umum harus mengambil contohnya, namun sekarang saya berpikir bahwa teori medan kuantum harus mengambil contohnya.

  Meskipun keempat teori ini meraih sukses besar, namun tidak lepas dari masalah.... Relativitas umum memprediksi keberadaan singularitas dalam ruang-waktu. Ada "masalah pengukuran" dalam teori kuantum, yang akan saya jelaskan nanti. Tampaknya solusi terhadap permasalahan teori-teori ini adalah dengan mengakui fakta bahwa teori-teori tersebut merupakan teori yang tidak lengkap. Misalnya saja, banyak orang yang mengantisipasi bahwa teori medan kuantum dapat “mencoreng” singularitas teori relativitas umum...

  Sekarang saya ingin menyampaikan beberapa patah kata mengenai hilangnya informasi di lubang hitam, yang saya yakini berkaitan dengan pernyataan terakhir. Saya setuju dengan hampir semua yang dikatakan Stephen mengenai hal ini. Namun meskipun Stephen menganggap hilangnya informasi dalam lubang hitam sebagai ketidakpastian baru dalam fisika, pada tingkat yang lebih tinggi daripada ketidakpastian mekanika kuantum, saya melihatnya hanya sebagai ketidakpastian "tambahan".... Ada kemungkinan bahwa sejumlah kecil informasi adalah hilang pada saat lubang hitam menguap... tetapi efek ini akan jauh lebih kecil daripada hilangnya informasi selama keruntuhan (yang saya terima untuk menggambarkan gambaran masuk akal tentang hilangnya lubang hitam pada akhirnya).

  Sebagai eksperimen pemikiran, pertimbangkan sistem tertutup dalam kotak besar dan pertimbangkan pergerakan materi di dalam kotak dalam ruang fase. Di wilayah ruang fase yang sesuai dengan lokasi lubang hitam, lintasan yang menggambarkan evolusi fisik sistem akan menyatu, dan volume fase yang diisi oleh lintasan tersebut akan menyusut. Hal ini terjadi akibat hilangnya informasi pada singularitas lubang hitam. Pengurangan ini bertentangan langsung dengan hukum mekanika klasik yang dikenal dengan teorema Liouville, yang menyatakan bahwa volume fasa yang dibawa oleh lintasan fasa tetap konstan.... Dengan demikian, ruang-waktu lubang hitam melanggar kekekalan volume tersebut. . Namun, dalam gambaran saya, hilangnya volume ruang fase ini diimbangi dengan proses pengukuran kuantum spontan, yang menghasilkan pemulihan informasi dan peningkatan volume ruang fase. Sejauh yang saya pahami, hal ini terjadi karena ketidakpastian yang terkait dengan hilangnya informasi di lubang hitam, seolah-olah, merupakan “tambahan” terhadap ketidakpastian mekanika kuantum: masing-masing ketidakpastian hanyalah satu sisi dari mata uang yang sama….

  Sekarang mari kita lihat eksperimen pemikiran kucing Schrödinger. Dia menggambarkan posisi kucing yang tidak menyenangkan di dalam kotak, di mana foton yang dipancarkan jatuh ke cermin tembus cahaya, dan bagian fungsi gelombang yang ditransmisikan direkam oleh sensor. Jika sensor mendeteksi foton, pistol akan meledak dan membunuh kucing tersebut. Jika sensor tidak mendeteksi foton, maka kucing tersebut tetap hidup dan sehat. (Saya tahu bahwa Stephen tidak menyetujui perlakuan buruk terhadap kucing, bahkan dalam eksperimen pemikiran!) Fungsi gelombang dari sistem seperti itu adalah superposisi dari dua kemungkinan ini.... Tetapi mengapa hanya alternatif makroskopis yang "mati kucing" dan "kucing hidup" tersedia untuk persepsi kita? dan bukan superposisi makroskopis dari keadaan seperti itu? ...

  Saya berpendapat bahwa dengan penggunaan relativitas umum, penggunaan superposisi geometri ruang-waktu alternatif menghadapi kesulitan yang serius. Ada kemungkinan bahwa superposisi dua geometri berbeda tidak stabil dan meluruh menjadi salah satu dari dua alternatif tersebut. Geometri tersebut dapat berupa, misalnya, ruang dan waktu kucing hidup atau mati. Untuk merujuk pada peluruhan superposisi ini menjadi salah satu keadaan alternatif, saya menggunakan istilah reduksi objektif, yang saya suka karena memiliki akronim yang bagus (OR). Apa hubungan panjang Planck 10-33 sentimeter dengan ini? Panjang ini adalah kriteria alami untuk menentukan apakah geometri tersebut benar-benar merupakan dunia yang berbeda. Skala Planck juga menentukan skala waktu terjadinya reduksi ke berbagai alternatif.

  Hawking tentang kosmologi kuantum:

  Saya mengakhiri kuliah ini dengan membahas sebuah isu yang Roger dan saya mempunyai pandangan berbeda: panah waktu. Ada perbedaan yang sangat jelas antara arah waktu maju dan mundur di bagian alam semesta kita. Anda hanya perlu memundurkan film apa pun untuk melihat perbedaan ini. Alih-alih cangkir jatuh dari meja dan pecah menjadi potongan-potongan kecil, kita akan melihat pecahan-pecahan ini bersatu kembali dan melompat kembali ke atas meja. Bukankah kehidupan nyata memang seperti itu?

  Hukum lokal bidang fisik memenuhi persyaratan simetri dalam waktu, atau, lebih tepatnya, invarian CPT (Charge-Parity-Time). Jadi, perbedaan yang teramati antara masa lalu dan masa depan berasal dari kondisi batas alam semesta. Mari kita pertimbangkan sebuah model di mana alam semesta yang tertutup secara spasial mengembang hingga ukuran maksimumnya dan kemudian runtuh lagi. Seperti yang diungkapkan Roger, alam semesta akan sangat berbeda di akhir cerita ini. Pada awalnya, alam semesta, menurut kita sekarang, akan cukup mulus dan teratur. Namun, ketika ia mulai runtuh lagi, kami perkirakan ia akan menjadi sangat tidak teratur dan tidak beraturan. Karena terdapat lebih banyak konfigurasi tak beraturan daripada konfigurasi terurut, ini berarti kondisi awal harus dipilih dengan sangat tepat.

  Akibatnya, kondisi batas pada waktu tersebut harus berbeda. Asumsi Roger adalah tensor Weyl akan hilang hanya pada satu akhir waktu. Tensor Weyl adalah bagian kelengkungan ruang-waktu yang tidak ditentukan oleh distribusi materi lokal melalui persamaan Einstein. Kelengkungan ini sangat kecil pada tahap awal yang terurut, dan sangat besar pada alam semesta yang sedang runtuh. Dengan demikian, usulan ini memungkinkan kita untuk membedakan kedua ujung waktu satu sama lain dan menjelaskan keberadaan panah waktu.

  Saya pikir usulan Roger adalah Weylian dalam dua arti. Pertama, ini bukan invarian CPT. Roger melihat properti ini sebagai suatu kebajikan, tapi saya merasa bahwa simetri tidak boleh ditinggalkan tanpa alasan yang kuat. Kedua, jika tensor Weyl sama persis dengan nol pada tahap awal alam semesta, maka ia akan tetap homogen dan isotropik sepanjang waktu berikutnya. Hipotesis Roger Weyl tidak dapat menjelaskan fluktuasi latar belakang gelombang mikro atau gangguan yang menyebabkan galaksi dan benda-benda seperti kita.

  Terlepas dari semua ini, saya pikir Roger telah menunjukkan perbedaan yang sangat penting antara kedua batasan waktu ini. Namun fakta bahwa kecilnya tensor Weyl di salah satu batas tidak boleh kita terima secara ad hoc, tetapi harus diperoleh dari prinsip yang lebih mendasar yaitu “tidak ada batas”....

  Bagaimana dua batas waktu bisa berbeda? Mengapa gangguan pada salah satu dari mereka harus kecil, namun tidak pada yang lainnya? Alasannya adalah persamaan medan memiliki dua kemungkinan solusi kompleks.... Jelasnya, satu solusi berhubungan dengan salah satu akhir waktu, dan solusi lainnya berhubungan dengan akhir waktu lainnya.... Pada suatu akhir waktu, alam semesta sangat mulus , dan tensor Weyl kecil. Namun, angka tersebut tidak bisa sama persis dengan nol, karena hal ini menyebabkan pelanggaran terhadap hubungan ketidakpastian. Sebaliknya, pasti ada fluktuasi kecil yang nantinya bisa berkembang menjadi galaksi dan benda seperti kita. Berbeda dengan permulaan, akhir alam semesta seharusnya sangat tidak teratur dan kacau, dan tensor Weyl sangat besar. Hal ini akan menjelaskan mengapa panah waktu terjadi dan mengapa cangkir lebih mudah jatuh dari meja dan pecah daripada dipulihkan dan dipantulkan kembali.

  Penrose tentang kosmologi kuantum:

  Dari apa yang saya pahami tentang konsep Stephen, saya menyimpulkan bahwa ketidaksepakatan kita mengenai masalah ini (hipotesis kelengkungan Weyl) sangat besar... Untuk singularitas awal, kelengkungan Weyl kira-kira nol.... Stephen berpendapat bahwa dalam keadaan awal kecil fluktuasi kuantum harus terjadi, dan oleh karena itu hipotesis kelengkungan Weyl nol adalah klasik dan tidak dapat diterima. Namun menurut saya, ada kebebasan dalam merumuskan hipotesis ini secara tepat. Gangguan kecil tentu saja dapat diterima dari sudut pandang saya dalam rezim kuantum. Kita hanya perlu membatasi fluktuasi ini secara signifikan hingga mendekati nol....

  Ada kemungkinan bahwa prinsip tanpa batas James-Hartley-Hawking merupakan kandidat yang baik untuk menggambarkan struktur keadaan awal. Namun, menurut saya ada hal lain yang diperlukan untuk menjelaskan keadaan akhirnya. Secara khusus, teori yang menjelaskan struktur singularitas harus mencakup pemutusan CPT dan simetri lainnya agar sesuai dengan hipotesis kelengkungan Weyl. Pelanggaran simetri waktu seperti itu bisa jadi cukup kecil; dan secara implisit dapat terkandung dalam teori baru yang melampaui batas-batas mekanika kuantum.

  Hawking tentang realitas fisik:

  Ceramah-ceramah ini membuat perbedaan antara Roger dan saya menjadi sangat jelas. Dia seorang Platonis, dan saya seorang positivis. Dia sangat prihatin karena kucing Schrödinger berada dalam keadaan kuantum di mana dia setengah hidup dan setengah mati. Dia merasakan adanya ketidaksesuaian dengan kenyataan dalam hal ini. Tapi hal-hal seperti itu tidak menggangguku. Saya tidak menuntut teori itu sesuai dengan kenyataan, karena saya tidak tahu apa itu kenyataan. Realitas bukanlah kualitas yang bisa Anda uji dengan kertas lakmus. Yang saya pedulikan hanyalah teori tersebut memprediksi hasil pengukuran. Teori kuantum melakukan hal ini dengan sangat sukses....

  Roger merasa bahwa... keruntuhan fungsi gelombang memperkenalkan pembobolan simetri CPT ke dalam fisika. Dia melihat gangguan seperti itu terjadi setidaknya di dua bidang fisika: kosmologi dan lubang hitam. Saya setuju bahwa kita dapat menggunakan asimetri waktu ketika mengajukan pertanyaan tentang observasi. Namun saya sepenuhnya menolak gagasan bahwa ada beberapa proses fisik yang mengarah pada pengurangan fungsi gelombang, atau bahwa ini ada hubungannya dengan gravitasi kuantum atau kesadaran. Ini semua ada hubungannya dengan sihir dan sihir, tapi tidak dengan sains.

  Penrose tentang realitas fisik:

  Mekanika kuantum baru ada selama 75 tahun. Jumlah ini tidak terlalu banyak, apalagi jika dibandingkan, misalnya, dengan teori gravitasi Newton. Jadi saya tidak heran jika mekanika kuantum dimodifikasi untuk objek yang sangat besar.

  Pada awal perdebatan ini Stephen menyatakan bahwa dia adalah seorang positivis dan saya adalah seorang platonis. Saya senang dia adalah seorang positivis, tetapi bagi diri saya sendiri, saya dapat mengatakan bahwa saya adalah seorang realis. Selain itu, jika Anda membandingkan debat ini dengan debat terkenal Bohr-Einstein sekitar 70 tahun yang lalu, menurut saya Stephen berperan sebagai Bohr dan saya berperan sebagai Einstein! Bagi Einstein, perlu adanya sesuatu yang mirip dengan dunia nyata, yang belum tentu digambarkan oleh fungsi gelombang, sedangkan Bohr menekankan bahwa fungsi gelombang tidak menggambarkan dunia nyata, tetapi hanya pengetahuan yang diperlukan untuk memprediksi hasil. sebuah eksperimen.

  Kini argumen Bohr diyakini lebih kuat, dan Einstein (menurut biografinya yang ditulis oleh Abraham Pais) bisa jadi sudah memancing sejak tahun 1925. Memang, dia tidak memberikan banyak kontribusi pada mekanika kuantum, meskipun kritiknya yang mendalam sangat berguna bagi mekanika kuantum. Saya yakin alasannya adalah karena teori kuantum kehilangan beberapa komponen penting. Salah satu komponennya adalah radiasi lubang hitam yang ditemukan oleh Stephen 50 tahun kemudian. Kebocoran informasi yang terkait dengan radiasi lubang hitam adalah fenomena yang mungkin membawa teori kuantum ke tingkat yang baru.

  Stephen Hawking yakin mungkin tidak ada teori pasti tentang alam semesta

  Ceramah televisi yang diberikan oleh fisikawan terkenal Stephen Hawking dari Inggris kepada beberapa audiens di Massachusetts Institute of Technology (MIT) menggambarkan pencarian para ilmuwan akan teori lengkap tentang Alam Semesta. Dan sebagai kesimpulannya, penulis buku ilmiah terlaris A Brief History of Time dan The Theory of Everything, seorang profesor matematika di Universitas Cambridge, menyatakan bahwa “hal itu mungkin [teori seperti itu] tidak mungkin.”

  "Beberapa orang akan sangat kecewa mengetahui bahwa tidak ada teori yang pasti," kata Hawking. "Saya juga pernah berpendapat seperti itu, tapi sekarang saya berubah pikiran. Kita akan selalu ditantang oleh penemuan-penemuan ilmiah baru. Tanpa teori itu, kita akan selalu ditantang oleh penemuan-penemuan ilmiah baru. peradaban akan mandek." "Pencarian bisa berlanjut untuk waktu yang sangat lama."

  Program televisi tersebut, yang mengalami kesulitan teknis terkait gambar dan suaranya, juga disiarkan melalui Internet. Acara ini diselenggarakan oleh Cambridge-MIT Institute (CMI) - aliansi strategis tiga tahun antara Universitas Cambridge di Inggris dan Institut Teknologi Massachusetts.

  Hawking pada dasarnya merangkum sejarah fisika partikel, dengan fokus pada tokoh-tokoh dan teori-teori penting di bidangnya, mulai dari Aristoteles hingga Stephen Weinberg, seorang peraih Nobel yang lahir pada tahun 1933.

  Persamaan Maxwell dan Dirac, misalnya, “mengatur hampir seluruh ilmu fisika, kimia, dan biologi,” Hawking beralasan. “Jadi, dengan mengetahui persamaan ini, pada prinsipnya kita dapat memprediksi perilaku manusia, meskipun saya tidak dapat mengklaim bahwa saya sendiri yang melakukannya ada kesuksesan besar dalam hal ini,” tutupnya yang disambut gelak tawa penonton.

  Otak manusia mengandung terlalu banyak partikel untuk menyelesaikan semua persamaan yang diperlukan untuk memprediksi perilaku seseorang. Mungkin suatu saat nanti kita akan belajar memprediksi perilaku cacing nematoda.

  Semua teori yang dikembangkan hingga saat ini untuk menjelaskan alam semesta “kontradiksi atau tidak lengkap,” kata Hawking. Dan dia mengemukakan mengapa pada prinsipnya tidak mungkin mengembangkan satu teori lengkap tentang Alam Semesta. Dia mendasarkan argumennya pada karya Kurt Gödel, seorang matematikawan Ceko yang menulis teorema terkenal bahwa, dalam cabang matematika mana pun, proposisi tertentu tidak akan pernah dapat dibuktikan atau disangkal.

  Sebuah buku karya seorang spesialis Amerika yang berisi presentasi sistematis dari salah satu bidang fisika teoretis modern yang paling relevan. Teori superstring menggabungkan gravitasi kuantum dan teori ukuran modern tentang partikel elementer. Dalam kerangka teori ini, khususnya, masalah divergensi ultraviolet yang terkenal dalam teori medan kuantum dan penjelasan mikroskopis entropi lubang hitam telah dipecahkan. Buku ini menyajikan informasi dasar tentang teori medan kuantum dan teori string dalam bentuk yang dapat diakses, memberikan pengenalan teori string medan dan metode untuk membangun string empat dimensi. Buku ini dilengkapi dengan lampiran yang menguraikan secara singkat teori relativitas, supersimetri, gravitasi, serta memberikan informasi dari teori grup dan geometri diferensial.
  Untuk matematikawan dan fisikawan dari berbagai spesialisasi, mahasiswa pascasarjana dan mahasiswa.

  UNTUK APA STRING?
  Penyatuan dua teori dasar fisika modern, teori medan kuantum dan relativitas umum, dalam satu pendekatan teoretis adalah salah satu masalah terpenting yang belum terselesaikan. Sungguh luar biasa bahwa kedua teori ini secara bersama-sama mewujudkan keseluruhan pengetahuan manusia tentang kekuatan alam yang paling mendasar. Teori medan kuantum, misalnya, telah mencapai keberhasilan luar biasa dalam menjelaskan fisika mikroskopis hingga jarak tidak lebih dari 10-15 cm. Sebaliknya, Relativitas Umum (GR) tidak ada bandingannya dalam menjelaskan perilaku kosmos dalam skala besar , memberikan penjelasan yang indah dan mempesona tentang asal usul alam semesta itu sendiri. Keberhasilan luar biasa dari kedua teori ini adalah bahwa keduanya dapat menjelaskan perilaku materi dan energi dalam skala yang sangat besar yaitu 40 kali lipat, dari alam subnuklir hingga alam kosmologis.

  Namun, misteri besar dalam lima dekade terakhir adalah ketidakcocokan kedua teori ini. Seolah-olah alam mempunyai dua pikiran, yang masing-masing bekerja secara independen dalam bidangnya masing-masing, dan beroperasi dalam isolasi total satu sama lain. Mengapa alam, pada tingkat terdalam dan paling mendasar, memerlukan dua pendekatan yang sangat berbeda dengan dua rangkaian metode matematika, dua rangkaian postulat, dan dua rangkaian prinsip fisika?

  DAFTAR ISI
  Kata Pengantar Editor Terjemahan
  Kata pengantar
  Bagian I. KUANTIZASI PRIMER DAN INTEGRAL TERUS-MENERUS
  Bab 1. Integral jalur dan partikel titik
  §1.1. Untuk apa string itu?
  §1.2. Tinjauan sejarah teori pengukur
  §1.3. Integral jalur dan partikel titik
  §1.4. Partikel titik relativistik
  §1.5. Kuantisasi primer dan sekunder
  §1.6. Kuantisasi Faddev-Popov
  §1.7. Kuantisasi sekunder
  §1.8. Osilator harmonik
  §1.9. Arus dan kuantisasi sekunder
  §1.10. Ringkasan
  literatur
  Bab 2. Senar Nambu-Goto
  §2.1. Senar bosonik
  §2.2. Kuantisasi Gupta-Bleuler
  §2.3. Kuantisasi dalam kalibrasi kerucut cahaya
  §2.4. Pohon
  §2.5. kuantisasi BRST
  §2.6. Dari integral jalur hingga operator
  §2.7. Invarian dan tikungan proyektif
  §2.8. String tertutup
  §2.9. Menghancurkan Roh
  §2.10. Ringkasan
  literatur
  Bab 3. Superstring
  §3.1. Partikel titik supersimetris
  §3.2. Supersimetri dua dimensi
  §3.3. Pohon
  §3.4. Supersimetri dua dimensi lokal
  §3.5. Kuantisasi
  §3.6. proyeksi SGO
  §3.7. Superstring
  §3.8. Kuantisasi aksi Green-Schwartz dalam variabel kerucut
  §3.9. Puncak dan pepohonan
  §3.10. Ringkasan
  literatur
  Bab 4. Teori medan konformal aljabar Kac-Moody
  §4.1. Teori medan konformal
  §4.2. Teori medan superkonformal
  §4.3. Bidang putar
  §4.4. Parfum super konformal:
  §4.5. Operator titik fermionik
  §4.6. Spinor dan pohon
  §4.7. Aljabar Kac-Moody
  §4.8. Supersimetri
  §4.9. Ringkasan
  literatur
  Bab 5. Amplitudo multiloop dan ruang Teichmüller
  §5.1. Kesatuan
  §5.2. Amplitudo loop tunggal
  §5.3. Osilator harmonik
  §5.4. Amplitudo superstring satu putaran
  §5.6. Amplitudo multiloop
  §5.7. Permukaan Riemann dan ruang Teichmüller
  §5.8. Anomali konformal
  §5.9. Superstring
  §5.10. Penentu dan singularitas
  §5.11. Ruang moduli dan Grassmannians
  §5.12. Ringkasan
  literatur
  Bagian II. KUANTIZASI SEKUNDER DAN PENCARIAN GEOMETRI
  Bab 6. Teori medan dalam kalibrasi kerucut cahaya
  §6.1. Mengapa teori string medan?
  §6.2. Penurunan teori medan partikel titik
  §6.3. Teori lapangan dalam kalibrasi kerucut cahaya
  §6.4. Interaksi
  §6.5. Metode fungsi Neumann
  §6.6. Kesetaraan amplitudo hamburan
  §6.7. Interaksi empat senar
  §6.8. Teori medan superstring
  §6.9. Ringkasan
  literatur
  Bab 7. Teori Lapangan BRST
  §7.1. Teori string medan kovarian
  §7.2. Teori Lapangan BRST
  §7.3. Kunci kalibrasi
  §7.4. Interaksi
  §7.5. Formulasi aksiomatik
  §7.6. Bukti kesetaraan
  §7.7. Senar tertutup dan superstring
  §7.8. Ringkasan
  literatur
  Bab 8. Teori string medan geometris
  §8.1. Mengapa geometri diperlukan?
  §8.2. Grup string
  §8.3. Grup string bersatu
  §8.4. Perwakilan Grup USG
  §8.5. Sektor angin dan ruang singgung
  §8.6. Koneksi dan turunan kovarian
  §8.7. Keluaran tindakan geometris
  §8.8. Kalibrasi interpolasi
  §8.9. Senar tertutup dan superstring
  §8.10. Ringkasan
  literatur
  Bagian III. FENOMENOLOGI DAN MODEL BANGUNAN
  Bab 9. Anomali dan Teorema Atiyah-Singer
  §9.1. Fenomenologi TVO dan melampauinya
  §9.2. Anomali dan diagram Feynman
  §9.3. Anomali dalam formalisme fungsional
  §9.4. Anomali dan kelas karakteristik
  §9.5. Indeks operator Dirac
  §9.6. Anomali gravitasi dan pengukur
  §9.7. Mengurangi Anomali dalam Teori String
  §9.8. Bukti sederhana teorema indeks Atiyah-Singer
  §9.9. Ringkasan
  literatur
  Bab 10. String heterotik dan pemadatan
  §10.1. Pemadatan
  §10.2. String heterotik
  §10.3. Spektrum negara bagian
  §10.4. Formulasi kovarian dan fermionik
  §10.5. Pohon
  §10.6. Amplitudo satu putaran
  §10.7. Grup E8 dan aljabar Kac-Moody
  §10.8. Teori sepuluh dimensi tanpa supersimetri
  §10.9. Kisi Lorentz
  §10.10. Ringkasan
  literatur
  Bab 11. Ruang dan orbiform Kalabn-Yau
  §11.1. Ruang Calabi-Yau
  §11.2. Review teori kohomologi de Rham
  §11.3. Kohomologi dan homologi
  §11.4. Manifold Kähler
  §11.5. Putar penyematan koneksi
  §11.6. Generasi fermion
  §11.7. garis Wilson
  §11.8. Orbiform
  §11.9. Superstring empat dimensi
  §11.10. Ringkasan
  §11.11. Kesimpulan
  literatur
  Aplikasi
  §P.1. Pengantar Singkat Teori Grup
  §P.2. Pengantar Singkat Relativitas Umum
  §P.3. Pengantar Singkat Teori Bentuk
  §P.4. Pengantar Singkat tentang Supersimetri
  §P.5. Pengantar Singkat Teori Supergravitasi
  §P.6. Daftar Istilah
  §P.7. Sebutan
  literatur
  Indeks subjek.

  
  
  
  KGB dan UFO - informasi yang dideklasifikasi dokumen rahasia KGB dan UFO

  Persamaan garis dalam ruang adalah persamaan dua bidang yang berpotongan