Космос и астрономия 13 ноември 2025 г. · 1 коментар
Кредит за изображение: NASA, ESA, CSA, STScI; Джоузеф ДеПаскуале (STScI), Алиса Паган (STScI)
Десетилетия след като беше предложено за първи път, учените все още опитват нови начини да потвърдят идея, която може да обедини цялата физика.
Марика Тейлър: През 1980 г. Стивън Хокинг изнася първата си лекция като лукасов професор в университета в Кеймбридж. Лекцията беше наречена “Вижда ли се краят на теоретичната физика?”
Хокинг, който по-късно стана мой ръководител на докторантурата, предсказа, че една теория за всичко – обединяваща противопоставящите се клонове на общата теория на относителността, която описва вселената в големи мащаби, и квантовата механика, която управлява микрокосмоса на атомите и частиците – може да бъде открита до края на 20 век.
Четиридесет и пет години по-късно все още няма окончателна теория за всичко. Основният кандидат е теорията на струните, рамка, която описва всички сили и частици, включително гравитацията. Теорията на струните предполага, че градивните елементи на природата не са точковидни частици като кварките (които изграждат частиците в атомното ядро), а вибриращи струни.
Това предполага, че ако можем да погледнем дълбоко в електроните, ще видим бримки от струни, вибриращи точно като тези на цигулка. Различни модели на вибрации на струни съответстват на различни частици.
Струнната теория обединява всички природни сили. Силите, които изглеждат много различни, като гравитацията и електричеството, са дълбоко свързани една с друга. Силите са свързани чрез така наречените дуалности: едни и същи основни явления могат да бъдат описани по различни начини.
Силата на гравитацията се описва от гледна точка на геометрия, форми и позиции. Други сили са описани от гледна точка на различни математически концепции, включително алгебра и числа.
Следователно обединяването на силите предполага дълбоки взаимоотношения между клоновете на математиката. Такива връзки са били предложени преди това от математиците, особено от Робърт Лангландс, и теорията на струните дава физически обяснения за връзките.
Въпреки че теорията на струните може да бъде правилната теория за всичко, е трудно да се провери експериментално. Ефектите от теорията на струните стават видими при много малки мащаби и много високи енергии.
Ускорителите на частици изследват вътрешната структура на частиците, като ги сблъскват и разбиват. Но дори и най-големите колайдери в Церн в Швейцария нямат достатъчно енергия, за да разделят частиците на струни.
Улики в космоса
Как можем да тестваме теорията на струните експериментално, ако не можем да достигнем достатъчно високи енергии в колайдери? Отговорът може да се крие в погледа към небето.
Много ранната вселена е била гъста и гореща и първичната супа е била съставена от струни. Можем да видим историята на Вселената, отпечатана в съвременните наблюдения, от изследвания на галактики до измервания на космическата радиация, която прониква в цялото пространство и е остатък от Големия взрив.
В началото на 20 век американският астроном Едуин Хъбъл показа, че Вселената се разширява. Галактиките се отдалечават все повече една от друга.
В края на този век подробните наблюдения на разширяването показаха, че то всъщност се ускорява. Галактиките днес се раздалечават по-бързо, отколкото преди милиони години.
Какво кара това ускорение? Гравитацията е притегателна сила, така че забавя разширяването на Вселената. Ускоряването на Вселената се задвижва от нов вид енергия, която се разпространява в цялото пространство. Учените наричат това тъмна енергия и съставлява около 70% от енергията на Вселената.
Не знаем точно какво е тъмна енергия. Най-правдоподобното обяснение е, че това е присъщата квантова енергия на Вселената. В квантовия свят частиците никога не могат просто да стоят неподвижни, без енергия. Винаги има малко квантов джитер и свързаната с него енергия.
Атомите, охладени до абсолютна нула, все още имат енергия поради своето квантово движение. Тъмната енергия може потенциално да се обясни като основната квантова енергия на всички сили и частици в природата, включително гравитацията.
Експериментите установяват свойствата на тъмната енергия. Desi е обсерватория, базирана в Аризона, САЩ, която картографира галактики и квазари. Космическите телескопи Euclid и Roman ще измерват Вселената в безпрецедентни детайли, като начертават историята на милиарди галактики за милиарди години.
Последните резултати от Desi предполагат, че тъмната енергия се променя във времето по начин, който е в съответствие с моделите на теорията на струните – въпреки че това все още предстои да бъде напълно потвърдено чрез допълнителни измервания.
Това не доказва теорията на струните, защото теорията на струните може да създаде множество различни вселени с различни модели на тъмна енергия. Резултатите от Desi обаче предполагат, че тълкуването на тъмната енергия като квантова енергия на струните може да е на правилния път. Разбира се, има феномени, различни от струните, които биха могли да обяснят промяната в тъмната енергия.
Евклид и Роман ще направят много прецизни измервания и ще могат да изключат много такива теории за тъмната енергия и някои специфични версии на теорията на струните – помагайки за стесняване на битовете, върху които теоретиците трябва да се съсредоточат.
Друг начин за проверка на теорията на струните може да бъде чрез черни дупки. Щом нещо падне в черна дупка, то не може да избяга. Вътре в черна дупка има много силни сили и частиците се разкъсват. Все още не разбираме точно какво се случва вътре в черна дупка, но теорията на струните ни учи как черната дупка запазва информация за това, което е паднало вътре.
Това е така, защото теорията на струните предполага, че няма “сингулярност” вътре в черна дупка – точка с безкрайна плътност и гравитация – а вместо това, че обектите са разпръснати като топки от струни, наречени мъхести топки.
Бъдещите, по-прецизни измервания на гравитационните вълни (вълни в тъканта на пространство-времето) ще търсят фините сигнали на квантовото поведение вътре в черните дупки, предсказано от теорията на струните. Ако черните дупки са мъхести топки, те трябва да произвеждат различен сигнал, когато се сливат, да продължава по-дълго и да съдържа ехо. Нещо повече, ако съществуват допълнителни измерения, както предлага теорията на струните, черните дупки могат да осцилират по различни начини, които ние също бихме могли да открием.
В допълнение към космологичните измервания, учените могат да провеждат мисловни експерименти, точно както направи Айнщайн със своите теории за относителността. Теорията на струните доведе до нови прозрения не само в математиката, но и в други области на науката. Например теорията на струните се оказа полезна за разбирането как квантовите системи могат да се използват в изчисленията.
Не мисля, че пълното разбиране на една теория за всичко е точно зад ъгъла, но през 45-те години след Лукасианската лекция на Хокинг със сигурност сме научили много. И в момента нещата вървят към струнната теория.
Марика Тейлър, заместник-ректор, професор, Университет на Бирмингам
Тази статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons.
Прочетете оригиналната статия.
Източник: Разговорът | Коментари (1)