Teori string dan superstring. Apa itu teori string - secara singkat dan jelas untuk boneka

Pernahkah Anda mengira alam semesta itu seperti cello? Itu benar - dia tidak datang. Karena Alam Semesta tidak seperti cello. Namun bukan berarti tidak ada ikatannya. Mari kita bicara tentang Teori String hari ini.

Tentu saja, rangkaian alam semesta hampir tidak sama dengan yang kita bayangkan. Dalam teori string, mereka adalah benang energi yang sangat kecil dan bergetar. Benang-benang ini lebih mirip “karet gelang” kecil yang dapat menggeliat, meregang, dan menekan dengan berbagai cara. Namun semua ini tidak berarti bahwa mustahil untuk “memainkan” simfoni Alam Semesta pada mereka, karena menurut para ahli teori string, segala sesuatu yang ada terdiri dari “benang” ini.

Kontradiksi fisika

Pada paruh kedua abad ke-19, para fisikawan merasa tidak ada lagi hal serius yang dapat ditemukan dalam sains mereka. Fisika klasik percaya bahwa tidak ada masalah serius yang tersisa di dalamnya, dan seluruh struktur dunia tampak seperti mesin yang dapat diatur dan diprediksi dengan sempurna. Masalahnya, seperti biasa, terjadi karena omong kosong - salah satu “awan” kecil yang masih tersisa di langit sains yang cerah dan dapat dimengerti. Yaitu, ketika menghitung energi radiasi suatu benda yang benar-benar hitam (benda hipotetis yang, pada suhu berapa pun, sepenuhnya menyerap radiasi yang terjadi padanya, berapa pun panjang gelombangnya - NS).

Perhitungan menunjukkan bahwa energi radiasi total dari benda yang benar-benar hitam pastilah sangat besar. Untuk menghindari absurditas yang jelas tersebut, ilmuwan Jerman Max Planck pada tahun 1900 mengusulkan bahwa cahaya tampak, sinar-X, dan gelombang elektromagnetik lainnya hanya dapat dipancarkan oleh bagian energi tertentu, yang disebutnya kuanta. Dengan bantuan mereka, masalah khusus dari benda yang benar-benar hitam dapat dipecahkan. Namun, konsekuensi hipotesis kuantum terhadap determinisme belum terwujud. Hingga pada tahun 1926, ilmuwan Jerman lainnya, Werner Heisenberg, merumuskan prinsip ketidakpastian yang terkenal.

Esensinya bermuara pada fakta bahwa, bertentangan dengan semua pernyataan dominan sebelumnya, alam membatasi kemampuan kita untuk memprediksi masa depan berdasarkan hukum fisika. Tentu saja kita berbicara tentang masa depan dan masa kini partikel subatom. Ternyata perilaku mereka sangat berbeda dengan apa yang terjadi di makrokosmos di sekitar kita. Pada tingkat subatom, struktur ruang menjadi tidak rata dan kacau. Dunia partikel-partikel kecil begitu bergejolak dan tidak dapat dipahami sehingga bertentangan dengan akal sehat. Ruang dan waktu begitu terpelintir dan terjalin di dalamnya sehingga tidak ada konsep biasa tentang kiri dan kanan, atas dan bawah, atau bahkan sebelum dan sesudah.

Tidak ada cara untuk mengatakan dengan pasti di titik mana partikel tertentu berada saat ini, dan berapa momentum sudutnya. Hanya ada kemungkinan tertentu untuk menemukan partikel di banyak wilayah ruang-waktu. Partikel pada tingkat subatom tampaknya “tersebar” di seluruh ruang. Tidak hanya itu, “status” partikel itu sendiri tidak ditentukan: dalam beberapa kasus mereka berperilaku seperti gelombang, dalam kasus lain mereka menunjukkan sifat-sifat partikel. Inilah yang oleh para fisikawan disebut sebagai dualitas gelombang-partikel dalam mekanika kuantum.

Tingkatan struktur dunia: 1. Tingkat makroskopis - materi 2. Tingkat molekuler 3. Tingkat atom - proton, neutron, dan elektron 4. Tingkat subatom - elektron 5. Tingkat subatom - kuark 6. Tingkat string

Dalam Teori Relativitas Umum, seolah-olah dalam keadaan dengan hukum yang berlawanan, situasinya berbeda secara mendasar. Ruang tampak seperti trampolin - kain halus yang dapat ditekuk dan diregangkan oleh benda bermassa. Mereka menciptakan kelengkungan dalam ruang-waktu—yang kita alami sebagai gravitasi. Tak perlu dikatakan lagi, Teori Relativitas Umum yang harmonis, benar, dan dapat diprediksi berada dalam konflik yang tidak dapat diselesaikan dengan “hooligan eksentrik” – mekanika kuantum, dan, sebagai akibatnya, dunia makro tidak dapat “berdamai” dengan dunia mikro. Di sinilah teori string membantu.

Alam Semesta 2D. Grafik polihedron E8 Teori Segalanya

Teori string mewujudkan impian semua fisikawan untuk menyatukan dua relativitas umum dan mekanika kuantum yang secara fundamental bertentangan, sebuah mimpi yang menghantui “gipsi dan gelandangan” terhebat Albert Einstein hingga akhir hayatnya.

Banyak ilmuwan percaya bahwa segala sesuatu mulai dari tarian galaksi yang indah hingga tarian partikel subatom yang gila-gilaan pada akhirnya dapat dijelaskan hanya dengan satu prinsip fisika dasar. Bahkan mungkin ada satu hukum yang menyatukan semua jenis energi, partikel, dan interaksi dalam suatu rumusan yang elegan.

Relativitas umum menggambarkan salah satu kekuatan paling terkenal di Alam Semesta - gravitasi. Mekanika kuantum menjelaskan tiga gaya lainnya: gaya nuklir kuat, yang merekatkan proton dan neutron dalam atom, elektromagnetisme, dan gaya lemah, yang terlibat dalam peluruhan radioaktif. Peristiwa apa pun di alam semesta, mulai dari ionisasi atom hingga kelahiran bintang, dijelaskan oleh interaksi materi melalui keempat gaya ini.

Dengan bantuan matematika yang paling kompleks, dimungkinkan untuk menunjukkan bahwa interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah memiliki sifat yang sama, menggabungkannya menjadi satu interaksi elektrolemah. Selanjutnya, interaksi nuklir kuat ditambahkan ke dalamnya - tetapi gravitasi tidak bergabung dengan mereka dengan cara apa pun. Teori string adalah salah satu kandidat paling serius untuk menghubungkan keempat kekuatan, dan oleh karena itu, mencakup semua fenomena di Alam Semesta - bukan tanpa alasan teori ini juga disebut "Teori Segalanya".

Awalnya ada mitos

Hingga saat ini, tidak semua fisikawan menyukai teori string. Dan pada awal kemunculannya, hal itu tampak jauh dari kenyataan. Kelahirannya adalah sebuah legenda.

Grafik fungsi beta Euler dengan argumen nyata

Pada akhir tahun 1960-an, fisikawan teoretis muda asal Italia, Gabriele Veneziano, sedang mencari persamaan yang dapat menjelaskan gaya nuklir kuat—yaitu “lem” yang sangat kuat yang menyatukan inti atom, mengikat proton dan neutron menjadi satu. Menurut legenda, suatu hari dia secara tidak sengaja menemukan sebuah buku berdebu tentang sejarah matematika, di mana dia menemukan fungsi berumur dua ratus tahun yang pertama kali ditulis oleh ahli matematika Swiss Leonhard Euler. Bayangkan keterkejutan Veneziano ketika dia menemukan bahwa fungsi Euler, yang selama ini dianggap tidak lebih dari keingintahuan matematis, menggambarkan interaksi yang kuat ini.

Seperti apa sebenarnya itu? Rumusnya mungkin merupakan hasil kerja Veneziano selama bertahun-tahun, dan kebetulan hanya membantu mengambil langkah pertama menuju penemuan teori string. Fungsi Euler, yang secara ajaib menjelaskan kekuatan yang kuat, telah menemukan kehidupan baru.

Akhirnya, hal ini menarik perhatian fisikawan teoretis muda Amerika Leonard Susskind, yang melihat bahwa, pertama-tama, rumus tersebut menggambarkan partikel yang tidak memiliki struktur internal dan dapat bergetar. Partikel-partikel ini berperilaku sedemikian rupa sehingga mereka tidak hanya berupa partikel titik. Susskind mengerti - rumusnya menggambarkan benang yang seperti karet gelang. Dia tidak hanya bisa meregang dan berkontraksi, tetapi juga berosilasi dan menggeliat. Setelah menjelaskan penemuannya, Susskind memperkenalkan ide revolusioner tentang string.

Sayangnya, sebagian besar rekannya menyambut teori tersebut dengan sangat dingin.

Model standar

Pada saat itu, ilmu pengetahuan konvensional merepresentasikan partikel sebagai titik, bukan string. Selama bertahun-tahun, fisikawan telah mempelajari perilaku partikel subatom dengan menabrakkannya pada kecepatan tinggi dan mempelajari konsekuensi dari tumbukan tersebut. Ternyata Alam Semesta jauh lebih kaya dari yang dibayangkan. Itu benar-benar “ledakan populasi” partikel elementer. Mahasiswa pascasarjana fisika berlarian melewati koridor sambil berteriak bahwa mereka telah menemukan partikel baru - bahkan tidak ada cukup huruf untuk menunjuk mereka. Namun, sayangnya, di “rumah sakit bersalin” partikel-partikel baru, para ilmuwan tidak pernah dapat menemukan jawaban atas pertanyaan - mengapa jumlahnya begitu banyak dan dari mana asalnya?

Hal ini mendorong fisikawan untuk membuat prediksi yang tidak biasa dan mengejutkan - mereka menyadari bahwa gaya yang bekerja di alam juga dapat dijelaskan dalam bentuk partikel. Artinya, ada partikel materi, dan ada partikel yang membawa interaksi. Misalnya, foton adalah partikel cahaya. Semakin banyak partikel pembawa ini – foton yang sama yang dipertukarkan partikel – semakin terang cahayanya. Para ilmuwan memperkirakan bahwa pertukaran partikel pembawa ini tidak lebih dari apa yang kita anggap sebagai kekuatan. Hal ini dikonfirmasi oleh eksperimen. Beginilah cara fisikawan berhasil mendekati impian Einstein untuk menyatukan kekuatan.

Para ilmuwan percaya bahwa jika kita mempercepat ke masa setelah Big Bang, ketika alam semesta bersuhu triliunan derajat lebih panas, partikel-partikel yang membawa elektromagnetisme dan gaya lemah akan menjadi tidak dapat dibedakan dan bergabung menjadi satu gaya yang disebut gaya elektrolemah. Dan jika kita mundur lebih jauh ke masa lalu, interaksi elektrolemah akan bergabung dengan interaksi kuat menjadi satu “kekuatan super”.

Meski semua ini masih menunggu untuk dibuktikan, mekanika kuantum tiba-tiba menjelaskan bagaimana tiga dari empat gaya berinteraksi pada tingkat subatom. Dan dia menjelaskannya dengan indah dan konsisten. Gambaran interaksi yang koheren ini akhirnya dikenal sebagai Model Standar. Namun, sayangnya, teori sempurna ini memiliki satu masalah besar - teori tersebut tidak menyertakan gaya tingkat makro yang paling terkenal - gravitasi.

Interaksi antara partikel yang berbeda dalam Model Standar
Graviton

Bagi teori string, yang belum sempat “berkembang”, “musim gugur” telah tiba; teori ini mengandung terlalu banyak masalah sejak kelahirannya. Misalnya, kalkulasi teori memperkirakan keberadaan partikel, yang kemudian diketahui, bahwa partikel tersebut tidak ada. Inilah yang disebut tachyon - sebuah partikel yang bergerak dalam ruang hampa lebih cepat dari cahaya. Antara lain ternyata teori tersebut membutuhkan sebanyak 10 dimensi. Tidak mengherankan jika hal ini sangat membingungkan para fisikawan, karena jelas lebih besar dari apa yang kita lihat.

Pada tahun 1973, hanya sedikit fisikawan muda yang masih bergulat dengan misteri teori string. Salah satunya adalah fisikawan teoretis Amerika John Schwartz. Selama empat tahun, Schwartz mencoba menjinakkan persamaan yang sulit diatur, namun tidak berhasil. Di antara masalah-masalah lain, salah satu persamaan ini tetap ada dalam menggambarkan partikel misterius yang tidak memiliki massa dan belum pernah diamati di alam.

Ilmuwan telah memutuskan untuk meninggalkan bisnisnya yang membawa malapetaka, dan kemudian dia sadar - mungkinkah persamaan teori string juga menggambarkan gravitasi? Namun, hal ini menyiratkan revisi dimensi “pahlawan” utama teori – string. Dengan berasumsi bahwa string berukuran milyaran kali lebih kecil dari atom, para “stringer” mengubah kelemahan teori menjadi keuntungan. Partikel misterius yang dengan gigih coba dihilangkan oleh John Schwartz kini bertindak sebagai graviton - sebuah partikel yang telah lama dicari dan memungkinkan gravitasi dipindahkan ke tingkat kuantum. Beginilah cara teori string menyelesaikan teka-teki gravitasi, yang tidak ada dalam Model Standar. Namun sayang, komunitas ilmiah tidak bereaksi sama sekali terhadap penemuan ini. Teori string tetap berada di ambang kelangsungan hidup. Namun hal itu tidak menghentikan Schwartz. Hanya satu ilmuwan yang ingin bergabung dalam pencariannya, siap mempertaruhkan kariernya demi string misterius - Michael Green.

Boneka bersarang subatom

Terlepas dari segalanya, pada awal tahun 1980-an, teori string masih memiliki kontradiksi yang tidak terpecahkan, yang disebut anomali dalam sains. Schwartz dan Green mulai melenyapkan mereka. Dan upaya mereka tidak sia-sia: para ilmuwan mampu menghilangkan beberapa kontradiksi dalam teori tersebut. Bayangkan keheranan keduanya, yang sudah terbiasa dengan kenyataan bahwa teori mereka diabaikan, ketika reaksi komunitas ilmiah meledakkan dunia ilmiah. Dalam waktu kurang dari setahun, jumlah ahli teori string melonjak hingga ratusan orang. Saat itulah teori string dianugerahi gelar Theory of Everything. Teori baru tersebut sepertinya mampu menggambarkan seluruh komponen alam semesta. Dan inilah komponen-komponennya.

Setiap atom, seperti yang kita ketahui, terdiri dari partikel yang lebih kecil lagi - elektron, yang berputar mengelilingi inti yang terdiri dari proton dan neutron. Proton dan neutron, pada gilirannya, terdiri dari partikel yang lebih kecil lagi - quark. Namun teori string mengatakan hal tersebut tidak berakhir pada quark. Quark terbuat dari untaian energi kecil yang menggeliat dan menyerupai string. Masing-masing string ini sangat kecil.

Begitu kecilnya sehingga jika sebuah atom diperbesar hingga seukuran tata surya, maka string tersebut akan menjadi seukuran pohon. Sama seperti getaran yang berbeda dari senar cello yang menciptakan apa yang kita dengar, seperti halnya notasi musik yang berbeda, cara (mode) getaran yang berbeda dari sebuah senar memberikan partikel sifat uniknya - massa, muatan, dll. Tahukah Anda bagaimana, secara relatif, proton di ujung kuku Anda berbeda dengan graviton yang belum ditemukan? Hanya melalui kumpulan dawai-dawai kecil yang menyusunnya, dan cara dawai tersebut bergetar.

Tentu saja, semua ini lebih dari sekadar mengejutkan. Sejak zaman Yunani Kuno, fisikawan telah terbiasa dengan kenyataan bahwa segala sesuatu di dunia ini terdiri dari sesuatu seperti bola, partikel-partikel kecil. Jadi, karena tidak punya waktu untuk terbiasa dengan perilaku tidak logis dari bola-bola ini, yang berasal dari mekanika kuantum, mereka diminta untuk sepenuhnya meninggalkan paradigma tersebut dan beroperasi dengan semacam potongan spageti...

Dimensi Kelima

Meskipun banyak ilmuwan menyebut teori string sebagai kemenangan matematika, masih ada beberapa masalah yang dihadapinya - terutama kurangnya kemungkinan untuk mengujinya secara eksperimental dalam waktu dekat. Tidak ada satu pun instrumen di dunia, baik yang sudah ada maupun yang tidak akan muncul di masa depan, yang mampu “melihat” senarnya. Oleh karena itu, beberapa ilmuwan bahkan mengajukan pertanyaan: apakah teori string merupakan teori fisika atau filsafat?.. Benar, melihat string “dengan mata kepala sendiri” sama sekali tidak perlu. Pembuktian teori string memerlukan sesuatu yang lain—yang terdengar seperti fiksi ilmiah—konfirmasi keberadaan dimensi ruang tambahan.

Tentang apa ini? Kita semua terbiasa dengan tiga dimensi ruang dan satu dimensi waktu. Namun teori string memperkirakan adanya dimensi lain—ekstra—. Tapi mari kita mulai secara berurutan.

Faktanya, gagasan tentang keberadaan dimensi lain muncul hampir seratus tahun yang lalu. Hal ini terlintas di benak matematikawan Jerman yang saat itu tidak dikenal, Theodor Kaluza, pada tahun 1919. Dia menyarankan kemungkinan adanya dimensi lain di alam semesta kita yang tidak kita lihat. Albert Einstein mengetahui ide ini, dan pada awalnya dia sangat menyukainya. Namun belakangan, dia meragukan kebenarannya, dan menunda penerbitan Kaluza selama dua tahun penuh. Namun pada akhirnya, artikel tersebut diterbitkan, dan dimensi tambahan menjadi semacam hobi bagi para jenius fisika.

Seperti diketahui, Einstein menunjukkan bahwa gravitasi tidak lebih dari deformasi dimensi ruang-waktu. Kaluza berpendapat bahwa elektromagnetisme juga bisa berupa riak. Mengapa kita tidak melihatnya? Kaluza menemukan jawaban atas pertanyaan ini - riak elektromagnetisme mungkin ada di dimensi tambahan yang tersembunyi. Tapi dimana itu?

Jawaban atas pertanyaan ini diberikan oleh fisikawan Swedia Oskar Klein, yang menyatakan bahwa dimensi kelima Kaluza terlipat miliaran kali lebih besar dari ukuran atom tunggal, itulah sebabnya kita tidak dapat melihatnya. Gagasan tentang dimensi kecil yang ada di sekitar kita adalah inti dari teori string.

Salah satu bentuk tambahan dimensi bengkok yang diusulkan. Di dalam masing-masing bentuk ini, sebuah string bergetar dan bergerak - komponen utama Alam Semesta. Setiap bentuk adalah enam dimensi - sesuai dengan jumlah enam dimensi tambahan

Sepuluh dimensi

Namun kenyataannya, persamaan teori string tidak memerlukan satu pun, melainkan enam dimensi tambahan (totalnya, dari empat dimensi yang kita tahu, tepat ada 10 dimensi). Semuanya memiliki bentuk kompleks yang sangat bengkok dan melengkung. Dan semuanya sangatlah kecil.

Bagaimana pengukuran kecil ini dapat mempengaruhi dunia kita yang luas? Menurut teori string, hal ini menentukan: baginya, bentuk menentukan segalanya. Saat Anda menekan tombol berbeda pada saksofon, Anda mendapatkan suara yang berbeda. Hal ini terjadi karena ketika Anda menekan tombol atau kombinasi tombol tertentu, Anda mengubah bentuk ruang pada alat musik tempat sirkulasi udara. Berkat ini, suara yang berbeda lahir.

Teori string menyatakan bahwa dimensi ruang tambahan yang melengkung dan terpelintir memanifestasikan dirinya dengan cara yang serupa. Bentuk dimensi tambahan ini rumit dan bervariasi, dan masing-masing menyebabkan string yang terletak di dalam dimensi tersebut bergetar secara berbeda justru karena bentuknya. Lagi pula, jika kita berasumsi, misalnya, bahwa satu senar bergetar di dalam kendi, dan senar lainnya di dalam tanduk tiang yang melengkung, maka getarannya akan sangat berbeda. Namun, menurut teori string, pada kenyataannya bentuk dimensi tambahan terlihat jauh lebih kompleks daripada kendi.

Bagaimana dunia bekerja

Ilmu pengetahuan saat ini mengetahui sekumpulan angka yang merupakan konstanta fundamental alam semesta. Merekalah yang menentukan sifat dan karakteristik segala sesuatu di sekitar kita. Di antara konstanta tersebut, misalnya, muatan elektron, konstanta gravitasi, kecepatan cahaya dalam ruang hampa... Dan jika kita mengubah angka-angka ini meskipun hanya beberapa kali saja, konsekuensinya akan menjadi bencana besar. Misalkan kita meningkatkan kekuatan interaksi elektromagnetik. Apa yang telah terjadi? Kita mungkin tiba-tiba menemukan bahwa ion-ion mulai saling tolak menolak lebih kuat, dan fusi nuklir, yang membuat bintang bersinar dan mengeluarkan panas, tiba-tiba gagal. Semua bintang akan padam.

Tapi apa hubungannya teori string dengan dimensi ekstranya? Faktanya, menurutnya, dimensi tambahanlah yang menentukan nilai pasti dari konstanta fundamental. Beberapa bentuk pengukuran menyebabkan satu string bergetar dengan cara tertentu, dan menghasilkan apa yang kita lihat sebagai foton. Dalam bentuk lain, string bergetar berbeda dan menghasilkan elektron. Sungguh, Tuhan ada dalam “hal-hal kecil” - bentuk-bentuk kecil inilah yang menentukan semua konstanta fundamental dunia ini.

Teori superstring

Pada pertengahan tahun 1980-an, teori string memperoleh tampilan yang megah dan teratur, namun di dalam monumen tersebut terdapat kebingungan. Hanya dalam beberapa tahun, sebanyak lima versi teori string telah muncul. Dan meskipun masing-masing dibangun di atas string dan dimensi ekstra (kelima versi digabungkan menjadi teori umum superstring - NS), versi ini berbeda secara signifikan dalam detailnya.

Jadi, di beberapa versi, senarnya memiliki ujung terbuka, di versi lain menyerupai cincin. Dan dalam beberapa versi, teori tersebut bahkan membutuhkan bukan 10, melainkan sebanyak 26 dimensi. Paradoksnya adalah kelima versi saat ini dapat disebut sama benarnya. Tapi manakah yang benar-benar menggambarkan Alam Semesta kita? Ini adalah misteri lain dari teori string. Itulah sebabnya banyak fisikawan kembali menyerah pada teori “gila”.

Namun masalah utama string, sebagaimana telah disebutkan, adalah ketidakmungkinan (setidaknya untuk saat ini) membuktikan keberadaannya secara eksperimental.

Namun, beberapa ilmuwan masih mengatakan bahwa akselerator generasi berikutnya memiliki peluang yang sangat minim, namun masih ada untuk menguji hipotesis dimensi tambahan. Meskipun mayoritas, tentu saja, yakin bahwa jika hal ini mungkin, sayangnya, hal itu tidak akan terjadi dalam waktu dekat - setidaknya dalam beberapa dekade, paling banyak - bahkan dalam seratus tahun.

Berbagai versi teori string kini dianggap sebagai pesaing utama untuk mendapatkan gelar teori komprehensif dan universal yang menjelaskan hakikat segala sesuatu. Dan ini adalah semacam Cawan Suci bagi fisikawan teoretis yang terlibat dalam teori partikel elementer dan kosmologi. Teori universal (juga teori segala sesuatu yang ada) hanya memuat 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 supersimetri, sehingga lahirlah teori superstring, dan saat ini merupakan pencapaian maksimal dalam menyatukan teori keempat interaksi dasar (gaya yang bekerja di alam). Teori supersimetri sendiri sudah dibangun atas dasar konsep modern apriori, yang menyatakan bahwa setiap interaksi (medan) jarak jauh disebabkan oleh pertukaran partikel pembawa interaksi dari jenis yang sesuai antara partikel yang berinteraksi (lihat Model Standar). Untuk lebih jelasnya, partikel yang berinteraksi dapat dianggap sebagai “batu bata” alam semesta, dan partikel pembawa dapat dianggap sebagai semen.

Teori string adalah cabang fisika matematika yang mempelajari dinamika bukan partikel titik, seperti kebanyakan cabang fisika, tetapi objek luas satu dimensi, yaitu. string
Dalam model standar, quark bertindak sebagai blok penyusun, dan mengukur boson, yang dipertukarkan oleh quark satu sama lain, bertindak sebagai pembawa interaksi. 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 yang terdiri dari hadron dan boson.

Tentu saja, belum ada prediksi teori supersimetri yang diuji dalam kondisi laboratorium, namun komponen hipotetis tersembunyi dari dunia material sudah memiliki nama - misalnya, elektron (pasangan supersimetri elektron), kuadrat, dll. Keberadaan partikel-partikel ini, bagaimanapun, menurut teori, dapat diprediksi dengan jelas.

Namun, gambaran Alam Semesta yang ditawarkan oleh teori-teori ini cukup mudah untuk divisualisasikan. Pada skala sekitar 10E–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, dalam senar seperti itu, selain nada dasar, banyak nada tambahan atau harmonik yang dapat dihasilkan. Setiap harmonik mempunyai keadaan energinya sendiri. Menurut prinsip relativitas (lihat Teori Relativitas), energi dan massa adalah setara, yang berarti semakin tinggi frekuensi getaran gelombang harmonik suatu tali, semakin tinggi 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 - pada dasarnya, ini adalah string 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 menyelaraskan beberapa aspek dan versinya dengan aspek dan versi lainnya. Yang lebih tidak menyenangkan lagi adalah belum ada satupun ahli teori yang mengusulkan teori string (dan terutama superstring) yang mengusulkan satu eksperimen 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.

Mempelajari sifat-sifat lubang hitam

Pada tahun 1996, ahli teori string Andrew Strominger dan Kumrun Vafa mengembangkan hasil sebelumnya dari Susskind dan Sen untuk menerbitkan “The Microscopic Nature of Bekenstein dan Hawking Entropy.” Dalam karya ini, Strominger dan Vafa mampu menggunakan teori string untuk menemukan komponen mikroskopis kelas lubang hitam tertentu, dan menghitung secara akurat kontribusi entropi komponen tersebut. Pekerjaan ini didasarkan pada metode baru yang melampaui teori perturbasi yang digunakan pada tahun 1980an dan awal 1990an. Hasil karyanya persis sama dengan prediksi Bekenstein dan Hawking, yang dibuat lebih dari dua puluh tahun sebelumnya.

Strominger dan Vafa menentang proses nyata pembentukan lubang hitam dengan pendekatan konstruktif. Mereka mengubah pandangan tentang pembentukan lubang hitam, menunjukkan bahwa mereka dapat dibangun dengan susah payah merakit menjadi satu mekanisme kumpulan bran yang ditemukan selama revolusi superstring kedua.

Dengan semua kontrol pada struktur mikroskopis lubang hitam, Strominger dan Vafa mampu menghitung jumlah permutasi komponen mikroskopis lubang hitam sehingga keseluruhan karakteristik yang dapat diamati, seperti massa dan muatan, tidak berubah. Mereka kemudian membandingkan angka yang dihasilkan dengan luas cakrawala peristiwa lubang hitam – entropi yang diprediksi oleh Bekenstein dan Hawking – dan menemukan kesesuaian yang sempurna. Setidaknya untuk kelas lubang hitam ekstrem, Strominger dan Vafa mampu menemukan penerapan teori string untuk menganalisis komponen mikroskopis dan menghitung entropi terkait secara akurat. Masalah yang dihadapi para fisikawan selama seperempat abad telah terpecahkan.

Bagi banyak ahli teori, penemuan ini merupakan argumen penting dan meyakinkan yang mendukung teori string. Perkembangan teori string masih terlalu kasar untuk dibandingkan secara langsung dan tepat dengan hasil eksperimen, misalnya dengan pengukuran massa quark atau elektron. Namun, teori string memberikan penjelasan mendasar pertama mengenai sifat lubang hitam yang telah lama ditemukan, ketidakmungkinan untuk menjelaskannya telah menghentikan penelitian para fisikawan yang bekerja dengan teori-teori tradisional selama bertahun-tahun. Bahkan Sheldon Glashow, peraih Nobel bidang fisika dan penentang keras teori string pada tahun 1980-an, mengakui dalam sebuah wawancara pada tahun 1997 bahwa “ketika para ahli teori string berbicara tentang lubang hitam, mereka hampir berbicara tentang fenomena yang dapat diamati, dan itu mengesankan.”

Kosmologi string

Ada tiga cara utama teori string memodifikasi model kosmologis standar. Pertama, dalam semangat penelitian modern, yang semakin memperjelas situasi, berdasarkan teori string, Alam Semesta harus memiliki ukuran minimum yang dapat diterima. Kesimpulan ini mengubah pemahaman tentang struktur Alam Semesta segera setelah terjadinya Big Bang, yang model standarnya menghasilkan ukuran Alam Semesta yang nol. Kedua, konsep dualitas T, yaitu dualitas jari-jari kecil dan besar (yang erat kaitannya dengan keberadaan ukuran minimum) dalam teori string, juga penting dalam kosmologi. Ketiga, jumlah dimensi ruang-waktu dalam teori string lebih dari empat, sehingga kosmologi harus menggambarkan evolusi semua dimensi tersebut.

Model Brandenberg dan Vafa

Pada akhir tahun 1980-an. Robert Brandenberger dan Kumrun Vafa telah mengambil langkah penting pertama menuju pemahaman bagaimana teori string akan mengubah implikasi model standar kosmologi. Mereka sampai pada dua kesimpulan penting. Pertama, saat kita kembali ke Big Bang, suhu terus meningkat hingga ukuran Alam Semesta di segala arah menjadi sama dengan panjang Planck. Pada titik ini suhu akan mencapai maksimum dan mulai menurun. Secara intuitif, tidak sulit untuk memahami alasan fenomena ini. Mari kita asumsikan secara sederhana (mengikuti Brandenberger dan Vafa) bahwa semua dimensi spasial Alam Semesta bersifat siklus. Saat kita bergerak mundur dalam waktu, jari-jari setiap lingkaran menyusut dan suhu alam semesta meningkat. Dari teori string, kita mengetahui bahwa memperkecil jari-jari terlebih dahulu ke dan kemudian ke bawah panjang Planck secara fisik setara dengan mengurangi jari-jari menjadi panjang Planck, yang kemudian diikuti dengan peningkatannya. Karena suhu turun selama perluasan Alam Semesta, upaya yang gagal untuk memampatkan Alam Semesta ke ukuran yang lebih kecil dari panjang Planck akan menyebabkan terhentinya pertumbuhan suhu dan penurunannya lebih lanjut.

Hasilnya, Brandenberger dan Vafa sampai pada gambaran kosmologis berikut: pertama, semua dimensi spasial dalam teori string dilipat rapat ke ukuran minimum sesuai urutan panjang Planck. Suhu dan energi memang tinggi, namun bukannya tak terbatas: paradoks titik awal ukuran nol dalam teori string telah teratasi. Pada saat awal keberadaan Alam Semesta, semua dimensi spasial teori string benar-benar setara dan simetris sepenuhnya: semuanya meringkuk menjadi gumpalan multidimensi dimensi Planck. Selanjutnya, menurut Brandenberger dan Vafa, Alam Semesta melewati tahap pertama reduksi simetri, ketika pada momen waktu Planck tiga dimensi spasial dipilih untuk perluasan selanjutnya, dan sisanya mempertahankan ukuran Planck aslinya. Ketiga dimensi ini kemudian diidentifikasi dengan dimensi-dimensi dalam skenario kosmologi inflasi dan, melalui proses evolusi, mengambil bentuk yang sekarang diamati.

Model Veneziano dan Gasperini

Sejak karya Brandenberger dan Vafa, fisikawan terus mengalami kemajuan dalam memahami kosmologi string. Di antara mereka yang memimpin penelitian ini adalah Gabriele Veneziano dan rekannya Maurizio Gasperini dari Universitas Turin. Para ilmuwan ini mempresentasikan versi kosmologi string mereka sendiri, yang di beberapa tempat mirip dengan skenario yang dijelaskan di atas, namun di tempat lain secara fundamental berbeda dari skenario tersebut. Seperti Brandenberger dan Vafa, untuk mengesampingkan suhu tak terbatas dan kepadatan energi yang muncul dalam model standar dan inflasi, mereka mengandalkan keberadaan panjang minimum dalam teori string. Namun, alih-alih menyimpulkan bahwa, karena sifat ini, Alam Semesta lahir dari segumpal dimensi Planck, Gasperini dan Veneziano berpendapat bahwa ada alam semesta prasejarah yang muncul jauh sebelum momen yang disebut titik nol, dan melahirkan alam semesta ini. “embrio” kosmik dimensi Planck.

Keadaan awal Alam Semesta dalam skenario ini dan model Big Bang sangat berbeda. Menurut Gasperini dan Veneziano, Alam Semesta bukanlah bola dimensi yang panas dan berputar rapat, melainkan dingin dan luasnya tak terhingga. Kemudian, sebagai berikut dari persamaan teori string, ketidakstabilan menyerbu Alam Semesta, dan semua titiknya mulai, seperti di era inflasi menurut Guth, dengan cepat menyebar ke samping.

Gasperini dan Veneziano menunjukkan bahwa ruang menjadi semakin melengkung dan akibatnya terjadi lonjakan tajam suhu dan kepadatan energi. Sedikit waktu berlalu, dan wilayah tiga dimensi berdimensi milimeter di dalam hamparan tak berujung ini berubah menjadi titik panas dan padat, identik dengan titik yang terbentuk selama ekspansi inflasi menurut Guth. Kemudian semuanya berjalan sesuai dengan skenario standar kosmologi Big Bang, dan titik yang meluas tersebut berubah menjadi Alam Semesta yang dapat diamati.

Karena era sebelum Big Bang sedang mengalami ekspansi inflasi, solusi Guth terhadap paradoks cakrawala secara otomatis dimasukkan ke dalam skenario kosmologis ini. Seperti yang dikatakan Veneziano (dalam sebuah wawancara tahun 1998), “teori string memberi kita sebuah versi kosmologi inflasi di atas piring perak.”

Studi tentang kosmologi string dengan cepat menjadi bidang penelitian yang aktif dan produktif. Misalnya, skenario evolusi sebelum Big Bang telah menjadi bahan perdebatan sengit lebih dari satu kali, dan posisinya dalam formulasi kosmologis di masa depan masih jauh dari jelas. Namun, tidak ada keraguan bahwa formulasi kosmologis ini akan didasarkan pada pemahaman fisikawan mengenai hasil yang ditemukan selama revolusi superstring kedua. Misalnya, konsekuensi kosmologis dari keberadaan membran multidimensi masih belum jelas. Dengan kata lain, bagaimana gagasan tentang momen-momen pertama keberadaan Alam Semesta akan berubah sebagai hasil analisis teori-M yang telah selesai? Masalah ini sedang diteliti secara intensif.

Ini sudah menjadi topik keempat. Relawan juga diminta untuk tidak melupakan topik apa saja yang ingin mereka liput, atau mungkin ada yang baru saja memilih topik dari daftar. Saya bertanggung jawab untuk memposting ulang dan mempromosikan di jejaring sosial. Dan sekarang topik kita: “teori string”

Anda mungkin pernah mendengar bahwa teori ilmiah paling populer di zaman kita, teori string, menyiratkan keberadaan lebih banyak dimensi daripada yang dikatakan akal sehat.

Masalah terbesar bagi fisikawan teoretis adalah bagaimana menggabungkan semua interaksi fundamental (gravitasi, elektromagnetik, lemah dan kuat) ke dalam satu teori. Teori superstring diklaim sebagai Teori Segalanya.

Namun ternyata jumlah dimensi paling tepat yang diperlukan agar teori ini dapat berfungsi adalah sebanyak sepuluh (sembilan di antaranya bersifat spasial, dan satu bersifat temporal)! Jika ada lebih banyak atau lebih sedikit dimensi, persamaan matematika memberikan hasil irasional hingga tak terhingga - sebuah singularitas.

Tahap selanjutnya dalam pengembangan teori superstring - teori M - telah menghitung sebelas dimensi. Dan versi lainnya - teori F - semuanya ada dua belas. Dan ini sama sekali bukan suatu komplikasi. Teori F mendeskripsikan ruang 12 dimensi dengan persamaan yang lebih sederhana dibandingkan teori M yang menjelaskan ruang 11 dimensi.

Tentu saja, fisika teoretis tidak disebut teoretis tanpa alasan. Segala prestasinya selama ini hanya ada di atas kertas. Jadi, untuk menjelaskan mengapa kita hanya bisa bergerak dalam ruang tiga dimensi, para ilmuwan mulai membahas tentang bagaimana sisa dimensi malang tersebut harus menyusut menjadi bola kompak pada tingkat kuantum. Tepatnya, bukan ke dalam bola, melainkan ke dalam ruang Calabi-Yau. Ini adalah sosok tiga dimensi, di dalamnya terdapat dunianya sendiri dengan dimensinya sendiri. Proyeksi dua dimensi dari manifold tersebut terlihat seperti ini:

Ya, ini sepertinya tidak masuk akal. Tapi mungkin justru inilah yang menjelaskan mengapa dunia kuantum sangat berbeda dari apa yang kita lihat.

Mari kita kembali sedikit ke dalam sejarah

Pada tahun 1968, seorang ahli fisika teoretis muda, Gabriele Veneziano, meneliti banyak karakteristik gaya nuklir kuat yang diamati secara eksperimental. Veneziano yang saat itu bekerja di CERN, European Accelerator Laboratory di Jenewa, Swiss, mengerjakan masalah ini selama beberapa tahun hingga suatu saat ia mendapatkan wawasan yang cemerlang. Yang sangat mengejutkannya, dia menyadari bahwa rumus matematika eksotik, yang ditemukan sekitar dua ratus tahun sebelumnya oleh ahli matematika Swiss terkenal Leonhard Euler untuk tujuan matematika murni – yang disebut fungsi beta Euler – tampaknya mampu menggambarkan dalam satu gerakan semua banyak hal. sifat-sifat partikel yang terlibat dalam interaksi nuklir kuat. Properti yang diperhatikan oleh Veneziano memberikan deskripsi matematis yang kuat tentang banyak fitur interaksi kuat; hal ini memicu banyak pekerjaan di mana fungsi beta dan berbagai generalisasinya digunakan untuk menggambarkan sejumlah besar data yang dikumpulkan dari studi tumbukan partikel di seluruh dunia. Namun, dalam beberapa hal, pengamatan Veneziano tidak lengkap. Seperti rumus hafalan yang digunakan oleh siswa yang tidak memahami arti atau maknanya, fungsi beta Euler berfungsi, tetapi tidak ada yang mengerti alasannya. Itu adalah rumus yang membutuhkan penjelasan.

Gabriele Veneziano

Hal ini berubah pada tahun 1970, ketika Yoichiro Nambu dari Universitas Chicago, Holger Nielsen dari Niels Bohr Institute, dan Leonard Susskind dari Universitas Stanford mampu menemukan makna fisik di balik rumus Euler. Para fisikawan ini menunjukkan bahwa ketika partikel elementer diwakili oleh string satu dimensi yang kecil dan bergetar, interaksi kuat partikel-partikel ini dijelaskan dengan tepat oleh fungsi Euler. Jika segmen string cukup kecil, para peneliti ini beralasan, segmen tersebut akan tetap tampak seperti partikel titik, dan oleh karena itu tidak akan bertentangan dengan pengamatan eksperimental. Meskipun teori ini sederhana dan menarik secara intuitif, deskripsi string tentang gaya kuat segera terbukti memiliki kelemahan. Pada awal tahun 1970-an. Fisikawan energi tinggi telah mampu mengintip lebih dalam ke dunia subatom dan telah menunjukkan bahwa sejumlah prediksi model berbasis string bertentangan langsung dengan hasil observasi. Pada saat yang sama, terdapat perkembangan paralel dari teori medan kuantum—kromodinamika kuantum—yang menggunakan model titik partikel. Keberhasilan teori ini dalam menggambarkan interaksi kuat menyebabkan ditinggalkannya teori string.
Kebanyakan fisikawan partikel percaya bahwa teori string telah dibuang ke tempat sampah selamanya, namun sejumlah peneliti tetap setia pada teori tersebut. Schwartz, misalnya, merasa bahwa “struktur matematika teori string begitu indah dan memiliki begitu banyak sifat menakjubkan sehingga pasti menunjuk pada sesuatu yang lebih dalam” 2 ). Salah satu masalah yang dihadapi fisikawan dengan teori string adalah teori tersebut tampaknya memberikan terlalu banyak pilihan, sehingga membingungkan. Beberapa konfigurasi string getar dalam teori ini memiliki sifat yang menyerupai sifat gluon, sehingga memberikan alasan untuk menganggapnya sebagai teori interaksi kuat. Namun, selain itu, ia mengandung partikel pembawa interaksi tambahan yang tidak ada hubungannya dengan manifestasi eksperimental interaksi kuat. Pada tahun 1974, Schwartz dan Joel Scherk dari École Technique Supérieure Perancis membuat proposal berani yang mengubah kelemahan ini menjadi keuntungan. Setelah mempelajari mode getaran aneh dari string, yang mengingatkan pada partikel pembawa, mereka menyadari bahwa sifat-sifat ini sangat mirip dengan sifat yang diduga dari partikel hipotetis pembawa interaksi gravitasi - graviton. Meskipun "partikel sangat kecil" dari interaksi gravitasi ini belum terdeteksi, para ahli teori dapat dengan yakin memprediksi beberapa sifat dasar yang seharusnya dimiliki partikel-partikel ini. Sherk dan Schwartz menemukan bahwa karakteristik ini diwujudkan dengan tepat untuk beberapa mode getaran. Berdasarkan hal ini, mereka berpendapat bahwa kemunculan teori string yang pertama gagal karena fisikawan terlalu mempersempit cakupannya. Sherk dan Schwartz mengumumkan bahwa teori string bukan sekadar teori gaya kuat, melainkan teori kuantum, yang antara lain mencakup gravitasi).

Komunitas fisika bereaksi terhadap saran ini dengan sangat hati-hati. Faktanya, menurut memoar Schwartz, “pekerjaan kami diabaikan oleh semua orang” 4). Jalur kemajuan telah sepenuhnya berantakan karena banyaknya upaya yang gagal untuk menggabungkan gravitasi dan mekanika kuantum. Teori string telah gagal dalam upaya awalnya untuk menggambarkan kekuatan yang kuat, dan tampaknya tidak ada gunanya bagi banyak orang untuk mencoba menggunakannya untuk mencapai tujuan yang lebih besar. Penelitian selanjutnya yang lebih rinci dilakukan pada akhir tahun 1970an dan awal tahun 1980an. menunjukkan bahwa teori string dan mekanika kuantum memiliki kontradiksinya masing-masing, meskipun lebih kecil. Tampaknya gaya gravitasi kembali mampu menahan upaya untuk mengintegrasikannya ke dalam gambaran alam semesta pada tingkat mikroskopis.
Itu terjadi hingga tahun 1984. Dalam sebuah makalah penting yang merangkum lebih dari satu dekade penelitian intensif yang sebagian besar telah diabaikan atau ditolak oleh sebagian besar fisikawan, Green dan Schwartz menetapkan bahwa ketidakkonsistenan kecil dengan teori kuantum yang melanda teori string dapat dibiarkan. Selain itu, mereka menunjukkan bahwa teori yang dihasilkan cukup luas untuk mencakup keempat jenis gaya dan semua jenis materi. Berita tentang hasil ini menyebar ke seluruh komunitas fisika, dengan ratusan fisikawan partikel berhenti mengerjakan proyek mereka untuk mengambil bagian dalam serangan yang tampaknya merupakan pertempuran teoretis terakhir dalam serangan selama berabad-abad terhadap fondasi terdalam alam semesta.
Kesuksesan Word of Green dan Schwartz akhirnya menjangkau bahkan mahasiswa pascasarjana tahun pertama, dan kesuraman sebelumnya digantikan oleh rasa partisipasi yang menarik dalam titik balik dalam sejarah fisika. Banyak di antara kita yang begadang hingga larut malam, mempelajari banyak sekali teori fisika dan matematika abstrak yang penting untuk memahami teori string.

Jika Anda mempercayai para ilmuwan, maka kita sendiri dan segala sesuatu di sekitar kita terdiri dari objek mikro terlipat misterius yang jumlahnya tak terbatas.
Periode 1984 hingga 1986 sekarang dikenal sebagai "revolusi pertama dalam teori superstring". Selama periode ini, lebih dari seribu makalah tentang teori string ditulis oleh fisikawan di seluruh dunia. Karya-karya ini secara meyakinkan menunjukkan bahwa banyak sifat model standar, yang ditemukan melalui penelitian yang melelahkan selama puluhan tahun, mengalir secara alami dari sistem teori string yang luar biasa. Sebagaimana dicatat oleh Michael Green, “Saat Anda diperkenalkan dengan teori string dan menyadari bahwa hampir semua kemajuan besar dalam fisika pada abad terakhir telah mengalir—dan mengalir dengan begitu anggun—dari titik awal yang sederhana, jelas menunjukkan kekuatan luar biasa dari teori string. teori ini.”5 Terlebih lagi, untuk sebagian besar properti ini, seperti yang akan kita lihat di bawah, teori string memberikan deskripsi yang jauh lebih lengkap dan memuaskan dibandingkan model standar. Pencapaian ini meyakinkan banyak fisikawan bahwa teori string dapat memenuhi janjinya dan menjadi teori pemersatu yang utama.

Proyeksi dua dimensi dari manifold Calabi-Yau tiga dimensi. Proyeksi ini memberikan gambaran betapa rumitnya dimensi tambahan tersebut.

Namun, dalam perjalanannya, fisikawan yang mengerjakan teori string berulang kali menemui kendala serius. Dalam fisika teoretis, kita sering kali harus berhadapan dengan persamaan yang terlalu rumit untuk dipahami atau sulit dipecahkan. Biasanya dalam situasi seperti ini, fisikawan tidak menyerah dan mencoba mendapatkan solusi perkiraan untuk persamaan tersebut. Situasi dalam teori string jauh lebih rumit. Bahkan penurunan persamaan itu sendiri ternyata begitu rumit sehingga sejauh ini hanya diperoleh bentuk perkiraan saja. Oleh karena itu, fisikawan yang bekerja dalam teori string menemukan diri mereka dalam situasi di mana mereka harus mencari solusi perkiraan untuk persamaan perkiraan. Setelah beberapa tahun kemajuan luar biasa yang dicapai selama revolusi superstring pertama, fisikawan dihadapkan pada kenyataan bahwa persamaan perkiraan yang digunakan tidak mampu menjawab sejumlah pertanyaan penting dengan benar, sehingga menghambat pengembangan penelitian lebih lanjut. Tanpa ide konkrit untuk melampaui metode perkiraan ini, banyak fisikawan yang bekerja di bidang teori string mengalami rasa frustrasi yang semakin besar dan kembali ke penelitian mereka sebelumnya. Bagi mereka yang tetap tinggal, pada akhir tahun 1980an dan awal tahun 1990an. adalah masa pengujian.

Keindahan dan potensi kekuatan teori string memberi isyarat kepada para peneliti seperti harta karun emas yang terkunci dengan aman di brankas, hanya terlihat melalui lubang intip kecil, namun tidak ada seorang pun yang memiliki kunci yang dapat melepaskan kekuatan-kekuatan yang tidak aktif ini. Periode “kekeringan” yang panjang dari waktu ke waktu terganggu oleh penemuan-penemuan penting, tetapi jelas bagi semua orang bahwa diperlukan metode baru yang melampaui solusi perkiraan yang sudah diketahui.

Kebuntuan tersebut diakhiri dengan ceramah menakjubkan yang disampaikan oleh Edward Witten pada tahun 1995 pada konferensi teori string di Universitas Southern California—sebuah ceramah yang mengejutkan sebuah ruangan yang dipenuhi oleh para fisikawan terkemuka dunia. Di dalamnya, ia mengungkap rencana untuk tahap penelitian berikutnya, sehingga mengantarkan pada “revolusi kedua dalam teori superstring.” Para ahli teori string kini bekerja dengan penuh semangat pada metode-metode baru yang menjanjikan untuk mengatasi hambatan-hambatan yang mereka hadapi.

Untuk mempopulerkan TS secara luas, umat manusia harus mendirikan monumen untuk profesor Universitas Columbia Brian Greene. Bukunya tahun 1999 “The Elegant Universe. Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory” menjadi buku terlaris dan memenangkan Hadiah Pulitzer. Karya ilmuwan tersebut menjadi dasar dari sebuah mini-seri sains populer dengan penulisnya sendiri sebagai pembawa acara - sebagian darinya dapat dilihat di akhir materi (foto Amy Sussman/Columbia University).

dapat diklik 1700 piksel

Sekarang mari kita coba memahami sedikit inti dari teori ini.

Mulai dari awal. Dimensi nol adalah sebuah titik. Dia tidak memiliki ukuran. Tidak ada tempat untuk bergerak, tidak diperlukan koordinat untuk menunjukkan lokasi dalam dimensi tersebut.

Mari kita letakkan titik kedua di sebelah titik pertama dan tarik garis melalui titik tersebut. Inilah dimensi pertama. Benda satu dimensi mempunyai ukuran - panjang, tetapi tidak memiliki lebar atau kedalaman. Pergerakan dalam ruang satu dimensi sangat terbatas, karena hambatan yang muncul di tengah perjalanan tidak dapat dihindari. Untuk menentukan lokasi pada segmen ini, Anda hanya memerlukan satu koordinat.

Mari kita beri titik di sebelah segmen tersebut. Untuk memuat kedua benda tersebut, kita memerlukan ruang dua dimensi yang memiliki panjang dan lebar, yaitu luas, tetapi tanpa kedalaman, yaitu volume. Lokasi setiap titik pada bidang ini ditentukan oleh dua koordinat.

Dimensi ketiga muncul ketika kita menambahkan sumbu koordinat ketiga ke sistem ini. Sangat mudah bagi kita, penghuni alam semesta tiga dimensi, untuk membayangkan hal ini.

Mari kita coba bayangkan bagaimana penghuni ruang dua dimensi memandang dunia. Misalnya saja kedua pria ini:

Masing-masing dari mereka akan melihat temannya seperti ini:

Dan dalam situasi ini:

Pahlawan kita akan melihat satu sama lain seperti ini:

Perubahan sudut pandang itulah yang memungkinkan para pahlawan kita menilai satu sama lain sebagai objek dua dimensi, dan bukan segmen satu dimensi.

Sekarang mari kita bayangkan sebuah benda volumetrik tertentu bergerak dalam dimensi ketiga, yang melintasi dunia dua dimensi tersebut. Bagi pengamat luar, gerakan ini akan dinyatakan dalam perubahan proyeksi dua dimensi suatu benda pada bidang, seperti brokoli pada mesin MRI:

Namun bagi penduduk Flatland kami, gambaran seperti itu tidak dapat dipahami! Dia bahkan tidak bisa membayangkannya. Baginya, setiap proyeksi dua dimensi akan dilihat sebagai segmen satu dimensi dengan panjang variabel yang misterius, muncul di tempat yang tidak dapat diprediksi dan juga menghilang secara tidak terduga. Upaya untuk menghitung panjang dan tempat asal benda-benda tersebut dengan menggunakan hukum fisika ruang dua dimensi pasti akan gagal.

Kami, penghuni dunia tiga dimensi, melihat segala sesuatu sebagai dua dimensi. Hanya dengan menggerakkan suatu benda di ruang angkasa kita dapat merasakan volumenya. Kita juga akan melihat objek multidimensi sebagai objek dua dimensi, namun objek tersebut akan berubah secara mengejutkan bergantung pada hubungan kita dengan objek tersebut atau waktu.

Dari sudut pandang ini menarik untuk dipikirkan, misalnya tentang gravitasi. Semua orang mungkin pernah melihat gambar seperti ini:

Mereka biasanya menggambarkan bagaimana gravitasi membengkokkan ruang-waktu. Itu membungkuk... dimana? Tepatnya tidak dalam dimensi mana pun yang kita kenal. Dan bagaimana dengan terowongan kuantum, yaitu kemampuan sebuah partikel untuk menghilang di satu tempat dan muncul di tempat yang sama sekali berbeda, dan di balik rintangan yang dalam realitas kita tidak dapat ditembusnya tanpa membuat lubang di dalamnya? Bagaimana dengan lubang hitam? Bagaimana jika semua misteri ini dan misteri sains modern lainnya dijelaskan oleh fakta bahwa geometri ruang sama sekali tidak sama dengan yang biasa kita pahami?

Jam terus berdetak

Waktu menambahkan koordinat lain ke Alam Semesta kita. Agar sebuah pesta dapat diadakan, Anda perlu mengetahui tidak hanya di bar mana pesta itu akan diadakan, tetapi juga waktu yang tepat untuk acara tersebut.

Berdasarkan persepsi kita, waktu bukanlah sebuah garis lurus melainkan sebuah sinar. Artinya, ia memiliki titik awal, dan pergerakannya hanya dilakukan dalam satu arah - dari masa lalu ke masa depan. Terlebih lagi, hanya masa kini yang nyata. Baik masa lalu maupun masa depan tidak ada, seperti halnya sarapan dan makan malam tidak ada dari sudut pandang pegawai kantor saat istirahat makan siangnya.

Namun teori relativitas tidak setuju dengan hal ini. Dari sudut pandangnya, waktu adalah dimensi yang utuh. Semua peristiwa yang pernah ada, ada dan akan ada sama-sama nyata, seperti halnya pantai laut itu nyata, tidak peduli di mana tepatnya mimpi suara ombak itu mengejutkan kita. Persepsi kita hanyalah semacam lampu sorot yang menerangi segmen tertentu dalam garis waktu yang lurus. Kemanusiaan dalam dimensi keempat terlihat seperti ini:

Tapi kita hanya melihat proyeksi, sepotong dimensi ini pada setiap momen waktu. Ya, ya, seperti brokoli di mesin MRI.

Hingga saat ini, semua teori bekerja dengan sejumlah besar dimensi spasial, dan dimensi temporal selalu menjadi satu-satunya. Namun mengapa ruang memperbolehkan banyak dimensi untuk ruang, namun hanya satu kali? Sampai para ilmuwan dapat menjawab pertanyaan ini, hipotesis tentang dua atau lebih ruang waktu akan tampak sangat menarik bagi semua filsuf dan penulis fiksi ilmiah. Dan fisikawan juga, lalu kenapa? Misalnya, astrofisikawan Amerika Itzhak Bars melihat akar dari semua masalah Teori Segalanya sebagai dimensi waktu kedua yang diabaikan. Sebagai latihan mental, mari kita coba membayangkan sebuah dunia dengan dua waktu.

Setiap dimensi ada secara terpisah. Hal ini dinyatakan dalam kenyataan bahwa jika kita mengubah koordinat suatu benda di satu dimensi, koordinat di dimensi lain mungkin tetap tidak berubah. Jadi, jika Anda bergerak sepanjang satu sumbu waktu yang memotong sumbu waktu lainnya pada sudut siku-siku, maka pada titik perpotongan tersebut waktu berputar akan berhenti. Dalam prakteknya akan terlihat seperti ini:

Yang harus dilakukan Neo hanyalah menempatkan sumbu waktu satu dimensinya tegak lurus terhadap sumbu waktu peluru. Sekadar hal sepele, Anda pasti setuju. Kenyataannya, segalanya jauh lebih rumit.

Waktu tepatnya di alam semesta dengan dua dimensi waktu akan ditentukan oleh dua nilai. Sulitkah membayangkan peristiwa dua dimensi? Artinya, yang diperpanjang secara bersamaan sepanjang dua sumbu waktu? Kemungkinan besar dunia seperti itu memerlukan spesialis dalam pemetaan waktu, seperti halnya kartografer yang memetakan permukaan dua dimensi dunia.

Apa lagi yang membedakan ruang dua dimensi dengan ruang satu dimensi? Kemampuan untuk melewati rintangan, misalnya. Ini benar-benar diluar batas pemikiran kita. Penghuni dunia satu dimensi tidak dapat membayangkan bagaimana rasanya berbelok. Dan apakah ini - sudut waktu? Selain itu, dalam ruang dua dimensi Anda dapat bergerak maju, mundur, atau bahkan secara diagonal. Saya tidak tahu bagaimana rasanya melewati waktu secara diagonal. Belum lagi fakta bahwa waktu mendasari banyak hukum fisika, dan mustahil membayangkan bagaimana fisika Alam Semesta akan berubah dengan munculnya dimensi waktu lain. Tapi sangat menarik untuk memikirkannya!

Ensiklopedia yang sangat besar

Dimensi lain belum ditemukan dan hanya ada dalam model matematika. Tapi Anda bisa mencoba membayangkannya seperti ini.

Seperti yang kita ketahui sebelumnya, kita melihat proyeksi tiga dimensi dari dimensi keempat (waktu) Alam Semesta. Dengan kata lain, setiap momen keberadaan dunia kita adalah sebuah titik (mirip dengan dimensi nol) dalam kurun waktu dari Big Bang hingga Akhir Dunia.

Anda yang pernah membaca tentang perjalanan waktu pasti tahu betapa pentingnya peran kelengkungan kontinum ruang-waktu di dalamnya. Ini adalah dimensi kelima - di dalamnya ruang-waktu empat dimensi “membungkuk” untuk mendekatkan dua titik pada garis ini. Tanpa hal ini, perjalanan antar titik ini akan menjadi terlalu lama, atau bahkan mustahil. Secara kasar, dimensi kelima mirip dengan dimensi kedua - ia memindahkan garis ruang-waktu “satu dimensi” ke dalam bidang “dua dimensi” dengan segala implikasinya berupa kemampuan untuk berbelok.

Beberapa saat sebelumnya, para pembaca kami yang berpikiran filosofis mungkin memikirkan kemungkinan adanya kehendak bebas dalam kondisi di mana masa depan sudah ada, namun belum diketahui. Sains menjawab pertanyaan ini sebagai berikut: probabilitas. Masa depan bukanlah sebuah tongkat, tapi serangkaian skenario yang mungkin terjadi. Kita akan mengetahui mana yang akan menjadi kenyataan ketika kita sampai di sana.

Masing-masing probabilitas ada dalam bentuk segmen “satu dimensi” pada “bidang” dimensi kelima. Apa cara tercepat untuk berpindah dari satu segmen ke segmen lainnya? Benar - tekuk bidang ini seperti selembar kertas. Di mana saya harus membengkokkannya? Dan sekali lagi dengan benar - di dimensi keenam, yang memberikan "volume" pada seluruh struktur kompleks ini. Dan, dengan demikian, menjadikannya, seperti ruang tiga dimensi, “selesai”, sebuah titik baru.

Dimensi ketujuh adalah garis lurus baru, yang terdiri dari “titik” enam dimensi. Apa poin lain pada baris ini? Seluruh rangkaian pilihan yang tak terbatas untuk perkembangan peristiwa di alam semesta lain, yang terbentuk bukan sebagai akibat dari Big Bang, tetapi dalam kondisi yang berbeda, dan beroperasi menurut hukum yang berbeda. Artinya, dimensi ketujuh adalah manik-manik dari dunia paralel. Dimensi kedelapan mengumpulkan “garis lurus” ini menjadi satu “bidang”. Dan yang kesembilan bisa diibaratkan sebuah buku yang berisi semua “lembaran” dimensi kedelapan. Inilah totalitas seluruh sejarah seluruh alam semesta dengan seluruh hukum fisika dan seluruh kondisi awalnya. Periode lagi.

Di sini kita mencapai batasnya. Untuk membayangkan dimensi kesepuluh, kita memerlukan garis lurus. Dan poin apa lagi yang ada pada garis ini jika dimensi kesembilan sudah mencakup segala sesuatu yang dapat dibayangkan, dan bahkan apa yang tidak mungkin dibayangkan? Ternyata dimensi kesembilan bukan sekadar titik awal, tetapi dimensi terakhir - setidaknya untuk imajinasi kita.

Teori string menyatakan bahwa di dimensi kesepuluh inilah string bergetar—partikel dasar yang menyusun segala sesuatu. Jika dimensi kesepuluh memuat seluruh alam semesta dan segala kemungkinan, maka string ada di mana-mana dan sepanjang waktu. Maksud saya, setiap string ada baik di alam semesta kita maupun di alam semesta lainnya. Kapan saja. Langsung. Keren, ya?

Fisikawan, spesialis teori string. Dia terkenal dengan karyanya mengenai simetri cermin, yang berkaitan dengan topologi manifold Calabi-Yau yang sesuai. Dikenal khalayak luas sebagai penulis buku sains populer. Alam Semesta Elegannya dinominasikan untuk Hadiah Pulitzer.

Pada bulan September 2013, Brian Greene datang ke Moskow atas undangan Museum Politeknik. Seorang fisikawan terkenal, ahli teori string, dan profesor di Universitas Columbia, ia dikenal masyarakat umum terutama sebagai pemopuler sains dan penulis buku “The Elegant Universe.” Lenta.ru berbicara dengan Brian Greene tentang teori string dan kesulitan yang dihadapi teori tersebut baru-baru ini, serta gravitasi kuantum, amplitudodron, dan kontrol sosial.

Sastra dalam bahasa Rusia: Kaku M., Thompson J.T. “Melampaui Einstein: Superstring dan pencarian teori final” dan apa itu Artikel asli ada di website InfoGlaz.rf Tautan ke artikel tempat salinan ini dibuat -

Di sekolah kita belajar bahwa materi terdiri dari atom, dan atom terdiri dari inti tempat elektron berputar. Planet-planet berputar mengelilingi matahari dengan cara yang hampir sama, sehingga mudah bagi kita untuk membayangkannya. Kemudian atom terpecah menjadi partikel-partikel elementer, dan semakin sulit membayangkan struktur alam semesta. Pada skala partikel, hukum yang berbeda berlaku, dan analogi dari kehidupan tidak selalu mungkin ditemukan. Fisika menjadi abstrak dan membingungkan.

Namun langkah selanjutnya dalam fisika teoretis mengembalikan kesadaran akan kenyataan. Teori string menggambarkan dunia dalam istilah-istilah yang dapat dibayangkan sehingga lebih mudah untuk dipahami dan diingat.

Topiknya masih belum mudah, jadi yuk kita urutkan. Pertama, mari kita cari tahu apa teorinya, lalu coba pahami mengapa teori itu diciptakan. Dan sebagai penutup, sedikit sejarah; teori string memiliki sejarah yang singkat, tetapi dengan dua revolusi.

Alam semesta terdiri dari benang-benang energi yang bergetar

Sebelum teori string, partikel elementer dianggap sebagai titik - bentuk tak berdimensi dengan sifat tertentu. Teori string menggambarkannya sebagai benang energi yang memiliki panjang satu dimensi. Benang satu dimensi ini disebut string kuantum.

Fisika teoretis

Fisika teoretis
menggambarkan dunia menggunakan matematika, bukan fisika eksperimental. Fisikawan teoretis pertama adalah Isaac Newton (1642-1727)

Inti atom dengan elektron, partikel elementer, dan string kuantum melalui sudut pandang seorang seniman. Fragmen dari film dokumenter "Elegant Universe"

String kuantum sangat kecil, panjangnya sekitar 10 -33 cm, seratus juta miliar kali lebih kecil dari proton yang bertabrakan di Large Hadron Collider. Eksperimen dengan string semacam itu memerlukan pembangunan akselerator seukuran galaksi. Kami belum menemukan cara untuk mendeteksi string, namun berkat matematika kami dapat menebak beberapa propertinya.

String kuantum terbuka dan tertutup. Ujung yang terbuka bebas, sedangkan ujung yang tertutup saling berdekatan, membentuk lingkaran. Senar terus-menerus “membuka” dan “menutup”, menghubungkan dengan senar lain dan terpecah menjadi senar yang lebih kecil.

String kuantum diregangkan. Ketegangan dalam ruang terjadi karena perbedaan energi: untuk tali tertutup di antara ujung yang tertutup, untuk tali terbuka - antara ujung tali dan ruang kosong. Fisikawan menyebut kekosongan ini sebagai wajah dua dimensi, atau bran - dari kata membran.

sentimeter - ukuran terkecil dari suatu benda di alam semesta. Ini disebut panjang Planck

Kita terbuat dari string kuantum

String kuantum bergetar. Ini adalah getaran yang mirip dengan getaran senar balalaika, dengan gelombang seragam dan bilangan bulat minimum dan maksimum. Saat bergetar, string kuantum tidak menghasilkan suara, pada skala partikel elementer tidak ada tempat untuk mengirimkan getaran suara. Ia sendiri menjadi sebuah partikel: ia bergetar pada satu frekuensi - quark, pada frekuensi lain - gluon, pada frekuensi ketiga - foton. Oleh karena itu, string kuantum adalah elemen pembangun tunggal, “batu bata” alam semesta.

Alam semesta biasanya digambarkan sebagai ruang angkasa dan bintang-bintang, namun alam semesta juga merupakan planet kita, Anda dan saya, teks di layar, dan buah beri di hutan.

Diagram getaran senar. Pada frekuensi berapa pun, semua gelombang adalah sama, jumlahnya bilangan bulat: satu, dua, dan tiga

Wilayah Moskow, 2016. Ada banyak stroberi - hanya lebih banyak nyamuk. Mereka juga terbuat dari string.

Dan luar angkasa ada di luar sana. Ayo kembali ke luar angkasa

Jadi, inti alam semesta terdapat string kuantum, benang energi satu dimensi yang bergetar, berubah ukuran dan bentuk, serta bertukar energi dengan string lain. Tapi bukan itu saja.

String kuantum bergerak melalui ruang. Dan ruang pada skala string adalah bagian paling menarik dari teori ini.

String kuantum bergerak dalam 11 dimensi

Theodore Kaluza
(1885-1954)

Semuanya dimulai dengan Albert Einstein. Penemuannya menunjukkan bahwa waktu bersifat relatif dan menyatukannya dengan ruang menjadi satu kesatuan ruang-waktu. Karya Einstein menjelaskan gravitasi, pergerakan planet, dan pembentukan lubang hitam. Selain itu, mereka menginspirasi orang-orang sezamannya untuk membuat penemuan-penemuan baru.

Einstein menerbitkan persamaan Teori Relativitas Umum pada tahun 1915-16, dan pada tahun 1919, ahli matematika Polandia Theodor Kaluza mencoba menerapkan perhitungannya pada teori medan elektromagnetik. Namun timbul pertanyaan: jika gravitasi Einstein membengkokkan empat dimensi ruangwaktu, gaya elektromagnetik apa yang membengkokkannya? Keyakinan pada Einstein sangat kuat, dan Kaluza yakin bahwa persamaannya akan menggambarkan elektromagnetisme. Sebaliknya, ia mengusulkan bahwa gaya elektromagnetik membengkokkan dimensi kelima tambahan. Einstein menyukai gagasan tersebut, namun teori tersebut tidak diuji melalui eksperimen dan dilupakan hingga tahun 1960-an.

Albert Einstein (1879-1955)

Theodore Kaluza
(1885-1954)

Theodore Kaluza
(1885-1954)

Albert Einstein
(1879-1955)

Persamaan teori string pertama menghasilkan hasil yang aneh. Tachyon muncul di dalamnya - partikel bermassa negatif yang bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Di sinilah gagasan Kaluza tentang multidimensi alam semesta berguna. Benar, lima dimensi saja tidak cukup, sama seperti enam, tujuh, atau sepuluh saja tidak cukup. Matematika teori string pertama hanya masuk akal jika alam semesta kita memiliki 26 dimensi! Teori-teori selanjutnya sudah cukup sepuluh, tetapi dalam teori modern ada sebelas teori - sepuluh spasial dan waktu.

Namun jika demikian, mengapa kita tidak melihat tujuh dimensi tambahan? Jawabannya sederhana - ukurannya terlalu kecil. Dari kejauhan, benda tiga dimensi akan tampak datar: pipa air akan tampak seperti pita, dan balon akan tampak seperti lingkaran. Sekalipun kita dapat melihat objek di dimensi lain, kita tidak akan mempertimbangkan multidimensinya. Para ilmuwan menyebut efek ini pemadatan.

Dimensi ekstra tersebut dilipat menjadi bentuk ruang-waktu yang sangat kecil - disebut ruang Calabi-Yau. Dari kejauhan tampak datar.

Tujuh dimensi tambahan hanya dapat kita representasikan dalam bentuk model matematika. Ini adalah fantasi yang dibangun di atas sifat-sifat ruang dan waktu yang kita ketahui. Dengan menambahkan dimensi ketiga, dunia menjadi tiga dimensi dan kita dapat melewati rintangan tersebut. Mungkin, dengan menggunakan prinsip yang sama, menambahkan tujuh dimensi yang tersisa adalah benar - dan kemudian dengan menggunakannya Anda dapat berkeliling ruang-waktu dan mencapai titik mana pun di alam semesta mana pun kapan saja.

pengukuran di alam semesta menurut teori string versi pertama - bosonik. Sekarang hal itu dianggap tidak relevan

Sebuah garis hanya mempunyai satu dimensi yaitu panjang

Balon berbentuk tiga dimensi dan memiliki dimensi ketiga—tinggi. Namun bagi manusia dua dimensi, ia terlihat seperti sebuah garis

Sebagaimana manusia dua dimensi tidak dapat membayangkan multidimensi, demikian pula kita tidak dapat membayangkan seluruh dimensi alam semesta.

Menurut model ini, string kuantum bergerak selalu dan ke mana saja, yang berarti bahwa string yang sama mengkodekan sifat-sifat semua alam semesta yang mungkin ada sejak kelahirannya hingga akhir zaman. Sayangnya, balon kita kempes. Dunia kita hanyalah proyeksi empat dimensi dari alam semesta sebelas dimensi ke dalam skala ruang-waktu yang terlihat, dan kita tidak dapat mengikuti alurnya.

Suatu hari nanti kita akan melihat Big Bang

Suatu hari nanti kita akan menghitung frekuensi getaran tali dan pengorganisasian dimensi tambahan di alam semesta kita. Kemudian kita akan mempelajari segala sesuatu tentangnya dan dapat melihat Big Bang atau terbang ke Alpha Centauri. Tetapi untuk saat ini hal ini tidak mungkin - tidak ada petunjuk tentang apa yang harus diandalkan dalam perhitungan, dan Anda hanya dapat menemukan angka yang diperlukan dengan kekerasan. Matematikawan telah menghitung bahwa akan ada 10.500 pilihan yang harus dipilah. Teori ini menemui jalan buntu.

Namun teori string masih mampu menjelaskan sifat alam semesta. Untuk melakukan hal ini, ia harus menghubungkan semua teori lainnya, menjadi teori segalanya.

Teori string akan menjadi teori segalanya. Mungkin

Pada paruh kedua abad ke-20, fisikawan membenarkan sejumlah teori mendasar tentang sifat alam semesta. Tampaknya sedikit lagi dan kami akan memahami segalanya. Namun, masalah utamanya belum terpecahkan: teori-teori tersebut bekerja dengan baik secara individual, namun tidak memberikan gambaran keseluruhan.

Ada dua teori utama: teori relativitas dan teori medan kuantum.

pilihan untuk mengatur 11 dimensi di ruang Calabi-Yau - cukup untuk semua kemungkinan alam semesta. Sebagai perbandingan, jumlah atom di bagian alam semesta yang dapat diamati adalah sekitar 10 80

Ada cukup pilihan untuk mengatur ruang Calabi-Yau untuk semua kemungkinan alam semesta. Sebagai perbandingan, jumlah atom di alam semesta teramati adalah sekitar 10 80

Teori relativitas
menggambarkan interaksi gravitasi antara planet dan bintang serta menjelaskan fenomena lubang hitam. Ini adalah fisika dunia visual dan logis.

Model interaksi gravitasi Bumi dan Bulan dalam ruang-waktu Einstein

Teori medan kuantum
menentukan jenis partikel elementer dan menjelaskan 3 jenis interaksi di antara partikel tersebut: kuat, lemah, dan elektromagnetik. Inilah fisika kekacauan.

Dunia kuantum melalui sudut pandang seorang seniman. Video dari situs web MiShorts

Teori medan kuantum dengan tambahan massa untuk neutrino disebut Model standar. Inilah teori dasar struktur alam semesta pada tingkat kuantum. Sebagian besar prediksi teori ini dikonfirmasi dalam eksperimen.

Model Standar membagi semua partikel menjadi fermion dan boson. Fermion membentuk materi - kelompok ini mencakup semua partikel yang dapat diamati seperti quark dan elektron. Boson adalah kekuatan yang bertanggung jawab atas interaksi fermion, seperti foton dan gluon. Dua lusin partikel telah diketahui, dan para ilmuwan terus menemukan partikel baru.

Masuk akal untuk berasumsi bahwa interaksi gravitasi juga ditransmisikan oleh bosonnya. Mereka belum menemukannya, tetapi mereka mendeskripsikan propertinya dan menemukan namanya - graviton.

Namun tidak mungkin menyatukan teori-teori tersebut. Menurut Model Standar, partikel elementer adalah titik tak berdimensi yang berinteraksi pada jarak nol. Jika aturan ini diterapkan pada graviton, persamaannya akan memberikan hasil yang tak terhingga, sehingga tidak ada artinya. Ini hanyalah salah satu kontradiksi, tetapi ini menggambarkan dengan baik seberapa jauh jarak satu fisika dengan fisika lainnya.

Oleh karena itu, para ilmuwan mencari teori alternatif yang dapat menggabungkan semua teori menjadi satu. Teori ini disebut teori medan terpadu, atau teori segalanya.

Fermion
membentuk semua jenis materi kecuali materi gelap

Boson
mentransfer energi antar fermion

Teori string dapat menyatukan dunia ilmiah

Teori string dalam peran ini terlihat lebih menarik daripada yang lain, karena teori ini segera memecahkan kontradiksi utama. String kuantum bergetar sehingga jarak antara keduanya lebih besar dari nol, dan hasil perhitungan graviton yang mustahil dapat dihindari. Dan graviton itu sendiri sangat cocok dengan konsep string.

Namun teori string belum dibuktikan melalui eksperimen; pencapaiannya masih di atas kertas. Yang lebih mengejutkan adalah kenyataan bahwa hal ini tidak ditinggalkan dalam 40 tahun - potensinya begitu besar. Untuk memahami mengapa hal ini terjadi, mari kita melihat ke belakang dan melihat bagaimana hal ini berkembang.

Teori string telah melalui dua revolusi

Gabriele Veneziano
(lahir tahun 1942)

Pada awalnya, teori string sama sekali tidak dianggap sebagai pesaing penyatuan fisika. Itu ditemukan secara tidak sengaja. Pada tahun 1968, fisikawan teoretis muda Gabriele Veneziano mempelajari interaksi kuat di dalam inti atom. Tanpa diduga, dia menemukan bahwa persamaan tersebut dijelaskan dengan baik oleh fungsi beta Euler, seperangkat persamaan yang disusun oleh matematikawan Swiss Leonhard Euler 200 tahun sebelumnya. Ini aneh: pada masa itu atom dianggap tidak dapat dibagi, dan karya Euler hanya memecahkan masalah matematika. Tidak ada yang mengerti mengapa persamaan tersebut berhasil, tetapi persamaan tersebut digunakan secara aktif.

Arti fisik dari fungsi beta Euler diklarifikasi dua tahun kemudian. Tiga fisikawan, Yoichiro Nambu, Holger Nielsen, dan Leonard Susskind, menyatakan bahwa partikel elementer mungkin bukanlah titik, melainkan string bergetar satu dimensi. Interaksi kuat untuk objek-objek tersebut idealnya dijelaskan oleh persamaan Euler. Versi pertama teori string disebut bosonik, karena teori ini menggambarkan sifat string boson yang bertanggung jawab atas interaksi materi, dan tidak menyangkut fermion yang menyusun materi.

Teorinya kasar. Ini melibatkan tachyon, dan prediksi utama bertentangan dengan hasil eksperimen. Dan meskipun tachyon dapat dihilangkan dengan menggunakan multidimensi Kaluza, teori string tidak berakar.

• Gabriele Veneziano
• Yoichiro Nambu
• Holger Nielsen
• Leonard Suskind
• John Schwartz
• Michael Hijau
• Edward Witten

• Gabriele Veneziano
• Yoichiro Nambu
• Holger Nielsen
• Leonard Suskind
• John Schwartz
• Michael Hijau
• Edward Witten

Namun teori tersebut masih memiliki pendukung setia. Pada tahun 1971, Pierre Ramon menambahkan fermion ke teori string, mengurangi jumlah dimensi dari 26 menjadi sepuluh. Ini menandai permulaan teori supersimetri.

Dikatakan bahwa setiap fermion memiliki bosonnya sendiri, yang berarti materi dan energi bersifat simetris. Tidak peduli alam semesta teramati itu asimetris, kata Ramon, ada kondisi di mana simetri masih bisa diamati. Dan jika, menurut teori string, fermion dan boson dikodekan oleh objek yang sama, maka dalam kondisi ini materi dapat diubah menjadi energi, dan sebaliknya. Sifat string ini disebut supersimetri, dan teori string itu sendiri disebut teori superstring.

Pada tahun 1974, John Schwartz dan Joel Sherk menemukan bahwa beberapa sifat string sangat mirip dengan sifat pembawa gravitasi, graviton. Sejak saat itu, teori tersebut mulai dianggap serius sebagai generalisasi.

dimensi ruang-waktu ada dalam teori superstring pertama

“Struktur matematis teori string begitu indah dan memiliki begitu banyak sifat menakjubkan sehingga pasti mengarah pada sesuatu yang lebih dalam.”

Revolusi superstring pertama terjadi pada tahun 1984. John Schwartz dan Michael Green menyajikan model matematika yang menunjukkan bahwa banyak kontradiksi antara teori string dan Model Standar dapat diselesaikan. Persamaan baru ini juga menghubungkan teori tersebut dengan semua jenis materi dan energi. Dunia ilmiah dilanda demam - fisikawan meninggalkan penelitian mereka dan beralih mempelajari string.

Dari tahun 1984 hingga 1986, lebih dari seribu makalah tentang teori string telah ditulis. Mereka menunjukkan bahwa banyak ketentuan Model Standar dan teori gravitasi, yang telah disatukan selama bertahun-tahun, secara alami mengikuti fisika string. Penelitian ini telah meyakinkan para ilmuwan bahwa teori pemersatu sudah dekat.

“Saat Anda diperkenalkan dengan teori string dan menyadari bahwa hampir semua kemajuan besar dalam fisika abad terakhir telah mengalir—dan mengalir dengan begitu anggun—dari titik awal yang sederhana, jelas menunjukkan kekuatan luar biasa dari teori ini.”

Namun teori string tidak terburu-buru mengungkap rahasianya. Alih-alih masalah terselesaikan, muncul masalah baru. Para ilmuwan telah menemukan bahwa tidak hanya ada satu, tapi lima teori superstring. Senar di dalamnya memiliki tipe supersimetri yang berbeda, dan tidak ada cara untuk memahami teori mana yang benar.

Metode matematika ada batasnya. Fisikawan terbiasa dengan persamaan kompleks yang tidak memberikan hasil yang akurat, tetapi untuk teori string tidak mungkin menulis persamaan yang akurat sekalipun. Dan hasil perkiraan persamaan perkiraan tidak memberikan jawaban. Menjadi jelas bahwa matematika baru diperlukan untuk mempelajari teori tersebut, tetapi tidak ada yang tahu matematika seperti apa itu. Semangat para ilmuwan telah mereda.

Revolusi superstring kedua bergemuruh pada tahun 1995. Kebuntuan ini diakhiri oleh pidato Edward Witten di Konferensi Teori String di California Selatan. Witten menunjukkan bahwa kelima teori tersebut merupakan kasus khusus dari satu teori superstring yang lebih umum, yang di dalamnya tidak terdapat sepuluh dimensi, melainkan sebelas. Witten menyebut teori pemersatu M-theory, atau Mother of all theories, dari kata bahasa Inggris Mother.

Tapi ada hal lain yang lebih penting. Teori M Witten menggambarkan pengaruh gravitasi dalam teori superstring dengan sangat baik sehingga disebut teori gravitasi supersimetris, atau teori supergravitasi. Hal ini mendorong para ilmuwan, dan jurnal ilmiah kembali dipenuhi dengan publikasi tentang fisika string.

pengukuran ruang-waktu dalam teori superstring modern

“Teori string adalah bagian dari fisika abad ke-21 yang secara tidak sengaja berakhir di abad ke-20. Mungkin diperlukan waktu puluhan tahun, atau bahkan berabad-abad, sebelum hal ini sepenuhnya dikembangkan dan dipahami.”

Gaung revolusi ini masih terdengar sampai sekarang. Namun terlepas dari semua upaya para ilmuwan, teori string memiliki lebih banyak pertanyaan daripada jawaban. Ilmu pengetahuan modern sedang mencoba membangun model alam semesta multidimensi dan mempelajari dimensi sebagai membran ruang. Mereka disebut bran—ingat ruang hampa dengan tali terbuka yang membentang di atasnya? Diasumsikan bahwa string itu sendiri bisa berbentuk dua atau tiga dimensi. Mereka bahkan berbicara tentang teori fundamental 12 dimensi baru - teori F, Bapak dari semua teori, dari kata Bapak. Sejarah teori string masih jauh dari selesai.

Teori string belum terbukti, namun juga belum terbantahkan.

Masalah utama teori ini adalah kurangnya bukti langsung. Ya, teori lain menyusul, ilmuwan menambahkan 2 dan 2, dan ternyata 4. Namun bukan berarti empat terdiri dari dua. Eksperimen di Large Hadron Collider belum menemukan supersimetri, yang akan mengkonfirmasi kesatuan dasar struktural alam semesta dan akan mempengaruhi para pendukung fisika string. Tapi tidak ada penolakan juga. Oleh karena itu, matematika teori string yang elegan terus menggairahkan pikiran para ilmuwan, menjanjikan solusi atas semua misteri alam semesta.

Ketika berbicara tentang teori string, pasti ada yang menyebut Brian Greene, seorang profesor di Universitas Columbia dan pemopuler teori yang tak kenal lelah. Green memberi ceramah dan tampil di televisi. Pada tahun 2000, bukunya “Elegant Universe. Superstring, Dimensi Tersembunyi, dan Pencarian Teori Tertinggi" adalah finalis Penghargaan Pulitzer. Pada tahun 2011, ia berperan sebagai dirinya sendiri di episode 83 The Big Bang Theory. Pada tahun 2013, ia mengunjungi Institut Politeknik Moskow dan memberikan wawancara kepada Lenta-ru.

Jika Anda tidak ingin menjadi ahli dalam teori string, namun ingin memahami dunia seperti apa yang Anda tinggali, ingatlah lembar contekan ini:

1. Alam semesta terdiri dari benang-benang energi—string kuantum—yang bergetar seperti dawai alat musik. Frekuensi getaran yang berbeda mengubah string menjadi partikel yang berbeda.
2. Ujung-ujung senar bisa bebas, atau bisa saling berdekatan, membentuk lingkaran. Senar tersebut terus-menerus menutup, membuka dan bertukar energi dengan senar lainnya.
3. String kuantum ada di alam semesta 11 dimensi. 7 dimensi ekstra tersebut dilipat menjadi bentuk ruang-waktu yang sangat kecil, jadi kita tidak melihatnya. Ini disebut pemadatan dimensi.
4. Jika kita tahu persis bagaimana dimensi di alam semesta kita terlipat, kita mungkin bisa melakukan perjalanan melintasi waktu dan ke bintang lain. Namun hal ini belum bisa dilakukan karena masih banyak pilihan yang harus diambil. Jumlahnya akan cukup untuk semua kemungkinan alam semesta.
5. Teori string dapat menyatukan semua teori fisika dan mengungkapkan kepada kita rahasia alam semesta - ada semua prasyarat untuk ini. Namun belum ada bukti.
6. Penemuan ilmu pengetahuan modern lainnya secara logis mengikuti teori string. Sayangnya, hal ini tidak membuktikan apa pun.
7. Teori string telah bertahan dari dua revolusi superstring dan terlupakan selama bertahun-tahun. Beberapa ilmuwan menganggapnya sebagai fiksi ilmiah, sementara yang lain percaya bahwa teknologi baru akan membantu membuktikannya.
8. Hal yang paling penting: jika Anda berencana memberi tahu teman Anda tentang teori string, pastikan tidak ada fisikawan di antara mereka - Anda akan menghemat waktu dan saraf. Dan Anda akan terlihat seperti Brian Greene di Politeknik:

Teori superstring, dalam bahasa populernya, membayangkan alam semesta sebagai kumpulan untaian energi yang bergetar—string. Mereka adalah dasar dari alam. Hipotesis tersebut juga menjelaskan elemen lain - bran. Semua materi di dunia kita terdiri dari getaran string dan bran. Konsekuensi alami dari teori ini adalah deskripsi gravitasi. Itu sebabnya para ilmuwan percaya bahwa hal ini memegang kunci untuk menyatukan gravitasi dengan kekuatan lain.

Konsep ini berkembang

Teori medan terpadu, teori superstring, murni bersifat matematis. Seperti semua konsep fisika, konsep ini didasarkan pada persamaan yang dapat diinterpretasikan dengan cara tertentu.

Saat ini tidak ada yang tahu persis seperti apa versi final teori ini. Para ilmuwan memiliki gagasan yang agak kabur tentang unsur-unsur umumnya, namun belum ada yang menemukan persamaan akhir yang mencakup semua teori superstring, dan belum dapat dikonfirmasi secara eksperimental (meskipun hal ini juga telah dikonfirmasi). dibantah). Fisikawan telah menciptakan versi persamaan yang disederhanakan, namun sejauh ini persamaan tersebut belum sepenuhnya menggambarkan alam semesta kita.

Teori superstring untuk pemula

Hipotesis ini didasarkan pada lima gagasan utama.

1. Teori superstring memperkirakan bahwa semua benda di dunia kita terdiri dari benang dan membran energi yang bergetar.
2. Ia mencoba menggabungkan relativitas umum (gravitasi) dengan fisika kuantum.
3. Teori superstring akan memungkinkan kita menyatukan semua kekuatan fundamental alam semesta.
4. Hipotesis ini memperkirakan adanya hubungan baru, supersimetri, antara dua jenis partikel yang berbeda secara fundamental, boson dan fermion.
5. Konsep ini menggambarkan sejumlah dimensi alam semesta tambahan yang biasanya tidak dapat diamati.

Senar dan Bran

Ketika teori tersebut muncul pada tahun 1970-an, benang-benang energi di dalamnya dianggap sebagai benda 1 dimensi – string. Kata “satu dimensi” berarti tali hanya mempunyai 1 dimensi, panjang, tidak seperti misalnya persegi yang memiliki panjang dan tinggi.

Teori ini membagi superstring ini menjadi dua jenis - tertutup dan terbuka. Senar terbuka mempunyai ujung-ujung yang tidak saling bersentuhan, sedangkan senar tertutup merupakan lingkaran yang ujung-ujungnya tidak terbuka. Hasilnya, ditemukan bahwa string ini, yang disebut string tipe 1, tunduk pada 5 tipe interaksi utama.

Interaksi didasarkan pada kemampuan string untuk menghubungkan dan memisahkan ujung-ujungnya. Karena ujung-ujung string terbuka dapat bergabung membentuk string tertutup, mustahil untuk membangun teori superstring tanpa menyertakan string melingkar.

Hal ini ternyata penting karena string tertutup memiliki sifat yang diyakini para fisikawan dapat menggambarkan gravitasi. Dengan kata lain, para ilmuwan menyadari bahwa alih-alih menjelaskan partikel materi, teori superstring dapat menjelaskan perilaku dan gravitasinya.

Selama bertahun-tahun, ditemukan bahwa, selain string, teori juga memerlukan elemen lain. Mereka dapat dianggap sebagai lembaran, atau dedak. Senar dapat dipasang pada salah satu atau kedua sisinya.

Gravitasi kuantum

Fisika modern memiliki dua hukum dasar ilmiah: relativitas umum (GTR) dan kuantum. Mereka mewakili bidang ilmu yang sangat berbeda. Fisika kuantum mempelajari partikel alam terkecil, dan relativitas umum biasanya menggambarkan alam pada skala planet, galaksi, dan alam semesta secara keseluruhan. Hipotesis yang berupaya menyatukannya disebut teori gravitasi kuantum. Yang paling menjanjikan saat ini adalah alat musik gesek.

Benang yang tertutup berhubungan dengan perilaku gravitasi. Secara khusus, mereka memiliki sifat graviton, partikel yang memindahkan gravitasi antar objek.

Menggabungkan kekuatan

Teori string berupaya menggabungkan empat gaya – gaya elektromagnetik, gaya nuklir kuat dan lemah, dan gravitasi – menjadi satu. Di dunia kita, gaya-gaya tersebut memanifestasikan dirinya sebagai empat fenomena berbeda, namun para ahli teori string percaya bahwa di alam semesta awal, ketika terdapat tingkat energi yang sangat tinggi, semua gaya ini dijelaskan oleh string yang berinteraksi satu sama lain.

Supersimetri

Semua partikel di alam semesta dapat dibagi menjadi dua jenis: boson dan fermion. Teori string memperkirakan adanya hubungan di antara keduanya yang disebut supersimetri. Dalam supersimetri, untuk setiap boson pasti ada fermion dan untuk setiap fermion ada boson. Sayangnya, keberadaan partikel tersebut belum dikonfirmasi secara eksperimental.

Supersimetri adalah hubungan matematis antara unsur-unsur persamaan fisika. Ia ditemukan di cabang fisika lain, dan penerapannya menyebabkan teori ini diganti namanya menjadi teori string supersimetris (atau teori superstring, dalam bahasa populer) pada pertengahan tahun 1970-an.

Salah satu manfaat supersimetri adalah menyederhanakan persamaan dengan menghilangkan beberapa variabel. Tanpa supersimetri, persamaan menimbulkan kontradiksi fisis seperti nilai tak hingga dan imajiner

Karena para ilmuwan belum mengamati partikel yang diprediksi oleh supersimetri, hal ini masih berupa hipotesis. Banyak fisikawan percaya bahwa alasannya adalah kebutuhan akan sejumlah besar energi, yang dihubungkan dengan massa melalui persamaan Einstein yang terkenal E = mc 2. Partikel-partikel ini mungkin ada di alam semesta awal, tetapi ketika alam semesta mendingin dan energi menyebar setelah Big Bang, partikel-partikel ini berpindah ke tingkat energi yang lebih rendah.

Dengan kata lain, string, yang bergetar sebagai partikel berenergi tinggi, kehilangan energi, mengubahnya menjadi elemen yang bergetar lebih rendah.

Para ilmuwan berharap pengamatan astronomi atau eksperimen akselerator partikel akan mengkonfirmasi teori tersebut dengan mengidentifikasi beberapa elemen supersimetris berenergi lebih tinggi.

Dimensi tambahan

Implikasi matematis lain dari teori string adalah bahwa teori ini masuk akal di dunia yang memiliki lebih dari tiga dimensi. Saat ini ada dua penjelasan untuk ini:

1. Dimensi ekstra (enam di antaranya) telah runtuh, atau, dalam terminologi teori string, dipadatkan menjadi ukuran yang sangat kecil yang tidak akan pernah terlihat.
2. Kita terjebak dalam bran 3 dimensi, dan dimensi lain melampauinya dan tidak dapat kita akses.

Bidang penelitian penting di kalangan ahli teori adalah pemodelan matematika tentang bagaimana koordinat tambahan ini mungkin berhubungan dengan koordinat kita. Hasil terbaru memperkirakan bahwa para ilmuwan akan segera dapat mendeteksi dimensi ekstra ini (jika ada) dalam eksperimen mendatang, karena dimensi tersebut mungkin lebih besar dari perkiraan sebelumnya.

Memahami tujuannya

Tujuan yang diperjuangkan para ilmuwan ketika mempelajari superstring adalah “teori segalanya”, yaitu hipotesis fisik terpadu yang menggambarkan semua realitas fisik pada tingkat fundamental. Jika berhasil, hal ini dapat memperjelas banyak pertanyaan tentang struktur alam semesta kita.

Menjelaskan Materi dan Massa

Salah satu tugas utama penelitian modern adalah menemukan solusi untuk partikel nyata.

Teori string dimulai sebagai sebuah konsep yang mendeskripsikan partikel seperti hadron melalui berbagai keadaan getaran yang lebih tinggi dari sebuah string. Dalam sebagian besar formulasi modern, materi yang diamati di alam semesta kita adalah hasil getaran energi terendah dari string dan bran. Getaran yang lebih tinggi menghasilkan partikel berenergi tinggi yang saat ini tidak ada di dunia kita.

Massanya merupakan manifestasi bagaimana string dan bran terbungkus dalam dimensi ekstra yang dipadatkan. Misalnya, dalam kasus sederhana yang dilipat menjadi bentuk donat, yang oleh ahli matematika dan fisikawan disebut torus, tali dapat membungkus bentuk ini dengan dua cara:

• lingkaran pendek melalui tengah torus;
• lingkaran panjang di sekeliling seluruh lingkar luar torus.

Lingkaran yang pendek akan menjadi partikel yang ringan, dan lingkaran yang panjang akan menjadi partikel yang berat. Ketika string dililitkan pada dimensi padat berbentuk torus, unsur-unsur baru dengan massa berbeda akan terbentuk.

Teori superstring secara singkat dan jelas, sederhana dan elegan menjelaskan transisi panjang ke massa. Dimensi terlipat di sini jauh lebih rumit daripada torus, tetapi pada prinsipnya cara kerjanya sama.

Bahkan mungkin saja, meski sulit dibayangkan, tali itu melingkari torus dalam dua arah pada waktu yang sama, sehingga menghasilkan partikel berbeda dengan massa berbeda. Bran juga dapat membungkus dimensi ekstra, menciptakan lebih banyak kemungkinan.

Definisi ruang dan waktu

Dalam banyak versi teori superstring, pengukuran gagal sehingga tidak dapat teramati pada tingkat teknologi saat ini.

Saat ini masih belum jelas apakah teori string dapat menjelaskan sifat dasar ruang dan waktu lebih jauh daripada yang dilakukan Einstein. Di dalamnya, pengukuran menjadi latar belakang interaksi string dan tidak memiliki arti sebenarnya yang independen.

Penjelasan diajukan, belum sepenuhnya dikembangkan, mengenai representasi ruang-waktu sebagai turunan dari jumlah total semua interaksi string.

Pendekatan ini tidak sesuai dengan gagasan beberapa fisikawan, sehingga menimbulkan kritik terhadap hipotesis. Teori kompetitif menggunakan kuantisasi ruang dan waktu sebagai titik awalnya. Beberapa orang percaya bahwa pada akhirnya ini hanya akan menjadi pendekatan yang berbeda terhadap hipotesis dasar yang sama.

Kuantisasi gravitasi

Pencapaian utama hipotesis ini, jika dikonfirmasi, adalah teori gravitasi kuantum. Deskripsi Relativitas Umum saat ini tidak sesuai dengan fisika kuantum. Yang terakhir, dengan menerapkan pembatasan pada perilaku partikel kecil, menimbulkan kontradiksi ketika mencoba menjelajahi Alam Semesta dalam skala yang sangat kecil.

Penyatuan kekuatan

Saat ini, fisikawan mengetahui empat gaya fundamental: gravitasi, elektromagnetik, interaksi nuklir lemah dan kuat. Dari teori string dapat disimpulkan bahwa semuanya dulunya merupakan manifestasi dari satu hal.

Menurut hipotesis ini, ketika alam semesta awal mendingin setelah big bang, interaksi tunggal ini mulai terpecah menjadi beberapa interaksi yang terjadi saat ini.

Eksperimen berenergi tinggi suatu hari nanti akan memungkinkan kita menemukan penyatuan gaya-gaya ini, meskipun eksperimen semacam itu jauh melampaui perkembangan teknologi saat ini.

Lima pilihan

Sejak revolusi superstring tahun 1984, pembangunan berjalan dengan sangat cepat. Akibatnya, alih-alih satu konsep, muncullah lima konsep yang disebut tipe I, IIA, IIB, HO, HE, yang masing-masing hampir sepenuhnya menggambarkan dunia kita, tetapi tidak sepenuhnya.

Fisikawan, yang mempelajari versi teori string dengan harapan menemukan rumus universal yang benar, telah menciptakan 5 versi swasembada yang berbeda. Beberapa sifat mereka mencerminkan realitas fisik dunia, yang lain tidak sesuai dengan kenyataan.

Teori-M

Pada konferensi tahun 1995, fisikawan Edward Witten mengusulkan solusi berani terhadap masalah lima hipotesis. Berdasarkan dualitas yang baru ditemukan, semuanya menjadi kasus khusus dari satu konsep menyeluruh, yang disebut teori M superstring oleh Witten. Salah satu konsep utamanya adalah bran (kependekan dari membran), objek fundamental yang memiliki lebih dari 1 dimensi. Meskipun penulis tidak mengusulkan versi lengkap, yang masih belum ada, teori M tentang superstring secara singkat terdiri dari beberapa fitur berikut:

• 11 dimensi (10 spasial ditambah 1 dimensi waktu);
• dualitas yang mengarah pada lima teori yang menjelaskan realitas fisik yang sama;
• Branes adalah string dengan lebih dari 1 dimensi.

Konsekuensi

Hasilnya, bukan hanya satu, malah muncul 10.500 solusi. Bagi beberapa fisikawan, hal ini menyebabkan krisis, sementara yang lain menerima prinsip antropik, yang menjelaskan sifat-sifat alam semesta melalui kehadiran kita di dalamnya. Masih harus dilihat bahwa para ahli teori akan menemukan cara lain untuk menavigasi teori superstring.

Beberapa penafsiran menyatakan bahwa dunia kita bukanlah satu-satunya dunia. Versi paling radikal mengakui keberadaan alam semesta dalam jumlah tak terbatas, beberapa di antaranya berisi salinan persis alam semesta kita.

Teori Einstein meramalkan adanya ruang runtuh yang disebut lubang cacing atau jembatan Einstein-Rosen. Dalam hal ini, dua daerah yang berjauhan dihubungkan oleh sebuah jalur pendek. Teori superstring memungkinkan tidak hanya hal ini, tetapi juga hubungan titik-titik jauh di dunia paralel. Bahkan transisi antar alam semesta dengan hukum fisika yang berbeda pun dimungkinkan. Namun, kemungkinan besar teori gravitasi kuantum akan membuat keberadaan mereka menjadi mustahil.

Banyak fisikawan percaya bahwa prinsip holografik, ketika semua informasi yang terkandung dalam suatu volume ruang sesuai dengan informasi yang terekam di permukaannya, akan memungkinkan pemahaman yang lebih mendalam tentang konsep benang energi.

Beberapa orang percaya bahwa teori superstring memungkinkan adanya beberapa dimensi waktu, yang dapat menyebabkan perjalanan melintasi dimensi tersebut.

Selain itu, hipotesis ini menawarkan alternatif terhadap model big bang, di mana alam semesta kita tercipta dari tumbukan dua bran dan melalui siklus penciptaan dan penghancuran yang berulang.

Nasib akhir alam semesta selalu menjadi perhatian para fisikawan, dan versi final teori string akan membantu menentukan kepadatan materi dan konstanta kosmologis. Mengetahui nilai-nilai ini, para kosmolog akan dapat menentukan apakah alam semesta akan berkontraksi hingga meledak dan mulai lagi.

Tidak ada yang tahu apa yang akan terjadi sampai ia dikembangkan dan diuji. Einstein, setelah menulis persamaan E=mc 2, tidak berasumsi bahwa hal tersebut akan menyebabkan munculnya senjata nuklir. Pencipta fisika kuantum tidak mengetahui bahwa ini akan menjadi dasar penciptaan laser dan transistor. Meskipun belum diketahui apa yang akan dihasilkan oleh konsep teoritis murni ini, sejarah menunjukkan bahwa sesuatu yang luar biasa pasti akan dihasilkan.

Anda dapat membaca lebih lanjut tentang hipotesis ini dalam buku Andrew Zimmerman, Superstring Theory for Dummies.