Обединението на Четирите Сили
Исторически погледнато, физиците са пропускали теорията за по-високите измерения, защото те нито можели да се измерят, нито пък имали някакво практическо приложение. Но за да разберем как добавянето на по-високи измерения може в действителност да опрости физичните проблеми вижте следния пример. За древните Египтяни времето е било пълна мистерия. Каква е била причината за сезоните? Защо е ставало все по-топло като се пътувало на юг? Времето е било невъзможно за обяснение от ограничената гледна точка на древните Египтяни, за които Земята изглеждала плоска, като двуизмерна плоскост.Но сега си представете, че пращате египтяните на ракета в Космоса, откъдето те могат да видят земята в нейната простота и цялост. Изведнъж, отговорите на тези въпроси стават очевидни. От космоса е явно, че Земята е наклонена с около 23 градуса около оста си в орбитата й около Слънцето. Поради този наклон, северното полукълбо поличава много по-малко слънчева светлина по-време на една част от орбитата си отколкото другата част. Ето защо имаме зима и лято. И тъй като екватора поличава средно повече светлина в сравнение с северните и южните полярни региони, ето защо става по-топло с приближаването ни към екватора.Общо казано, законите на метеорологичното време са лесно разбираеми ако видим земята от космоса. Следователно, решението на проблема е да отидем в космоса, в третото измерение. Фактите, които са били невъзможни за разбиране в плоския свят изведнъж стават ясни, когато видим обединената картина на триизмерната земя.
Четирите фундаментални сили
По подобен начин, текущото вълнение относно по-високите измерения е породено от възможността те да държат ключа към унификацията на всички познати сили. Кулминацията на 2000 години ревностно наблюдение е осъзнаването на това, че нашата Вселена се управлява от четири фундаментални сили. Тези четири сили, обаче, могат да бъдат унифицирани в пространство с по-високи измерения. Светлината например, може да бъде видяна просто като вибрации в петото измерение. Другите сили на природата могат да бъдат видяни като вибрации на увеличаващи се по степен измерения. На пръв поглед, четирите фундаментални сили изглежда, че нямат никаква прилика по-между си. Те са:
Гравитацията е силата, която държи краката ни закотвени върху въртящата се земя и задържа слънчевата система и галактиките заедно. Без гравитацията, ние бихме незабавно хвръкнали в космоса със скорост 1000 мили в час. Още повече, без гравитацията, която задържа Слънцето цяло, то би избухнало по катастрофичен начин. Електромагнетизма е силата, която осветява нашите градове и дава енергия на домакинствата. Електронната революция, която ни даде крушката, ТВ, телефона, компютрите, радиото, радара, микровълните, и миялните чинии е продукт на електро-мaгнитната сила.
Силната ядрена сила е силата, която захранва Слънцето. Без ядрената сила, звездите ще угаснат и небесата ще станат тъмни. Ядрената сила не само прави живота на земята възможен, това е и също унищожителната сила на водородната бомба, която може да се сравни с парченце от Слънцето донесено на Земята. Слабата сила е силата отговорна за радиоактивния разпад включващ електроните. Слабата сила е овладяна в модерните болници под формата на радиоактивни следящи устройства, които се използват в ядрената медицина. Слабата сила също причини бедствието в Чернобил. Исторически, когато учените разкриват тайните на една от четирите фундаментални сили, това необратимо променя курса на модерната цивилизация, от господството на механиката и Нютоновата физика през 1700-те, до обуздаването на електро-магнетизма през 1800-те, и накрая до разкриването на ядрената сила през 1900-те. В някакъв смисъл, някои от най-велите пробиви в историята на науката могат да се проследят обратно до поетапното разбиране на тези четири фундаментални сили. Някои дори са твърдели, че прогреса в науката през последните 2000 години може да бъде разгледан като успешно обуздаване на тези четири фундаментални сили. Придавайки важност на тези четири сили, следващият въпрос е: може ли те да се обединят в една супер сила? Дали те са проявявания или израз на много по-дълбока реалност? Поради безплодните усилия вече половин век, на обърканите нобелови лауреати – повечето физици са съгласни, че Теорията на Всичко, трябва да бъде радикално отклонение от всичко, което е било опитвано в миналото. Например, Нилс Бор, основателят на модерната атомна теория, веднъж е слушал обяснението на Волфганг Паули за неговата версия на унифицираната теория на полето. Разстроен, Бор накрая се изправил и казал, “Всички сме съгласни, че теорията ти е напълно смахната. Но това, което ни интересува е дали твоята теория е достатъчно смахната.”Днес, обаче, след десетилетия грешни стартове и отчайващи краища, много от водещите световни физици мислят, че най-накрая са открили теория “достатъчно смахната” за да бъде унифицираната теория на полето. Съществува широко разпространено мнение (въпреки, че със сигурност не е единодушно във всякакъв аспект) в световните главни изследователски лаборатории, че най-накрая сме открили Теорията на Всичко.
Теория на полето в по-високо измерение
За да видим как по-високите измерения помагат да унифицираме законите на природата, физиците използват математическо приспособление наречено “теория на полето”. Например, магнитното поле на пластинка магнит наподобява мрежа на паяк, която изпълва цялото пространство. За да обясним магнитното поле, ние представяме полето като серии от цифри, дефинирани във всяка точка в пространството, които обясняват интензитета и посоката на силата в тази точка. Джеймс Кларк Максуел, през миналия век, доказал, че електро-магнитната сила може да бъде описана с четири числа във всяка точка във четири измерно пространство-време (означени като A _ 1, A _ 2 , A _ 3 , A _ 4 ). Тези четири числа, в замяна, се подчиняват на комплект уравнения (наречени уравнения на полето на Максуел).За гравитационната сила, Айнщайн е показал, че полето изисква общо 10 числа във всяка една точка в четири измерения. Тези 10 числа могат да бъдат обединени в областта показана във фиг. 3. (Тъй като g _ 12 = g _ 21 , само 10 от 16-те цифри съдържащи се в областта са независими.) Гравитационното поле пък се подчинява на уравненията на полето на Айнщайн. Ключовата идея на Теодор Калуза през 1920-те е била да напише 5 измерна теория на гравитацията. В пет измерения, гравитационното поле има 15 независими числа, които могат да се подредят в пет измерна област (виж. Фиг. 4). Калуза след това пре-дефинирал 5-тата колона и ред на гравитационното поле да бъде електромагнитно поле на Максуел. Истински чудотворната черта на тази конструкция е, че петизмерната теория на гравитацията се редуцира прецизно до оригиналната теория на Айнщайн на гравитацията плюс теорията на светлината на Максуел. С други думи, чрез добавянето на петото измерение, ние имаме безпроблемно обединени светлина и гравитация. С други думи, светлината сега се разглежда като вибрации в петото измерение. В пет измерения, “стаята е достатъчно голяма” за унифициране на гравитацията и светлината.Този номер е лесно продължим. Например, ако генерализираме теорията до N измерения, тогава N измерното гравитационно поле може да се раздели на следните парчета (виж фиг.5). Сега, има и генерализация на електромагнитното поле, наречено “Янг-Милс поле”, за което се знае, че описва ядрените сили. Ядрените сили, следователно, могат да се видят като вибрации на по-високо измерно пространство. Просто казано, чрез добавянето на повече измерения, ние можем да обясним повече сили. По подобен начин, чрез добавянето на повече измерения и по-нататъшното украсяване на този подход (с нещо наречено “суперсиметрия”), ние можем да обясним целия “зоопарк” от частици, който беше открит през последните тридесет години, със странни имена като кварки, неутринота, мюони, глуони, и т.н. Въпреки, че математиката, от която имаме нужда за да продължим идеята на Калуза достигна наистина спиращи дъха висини, изумяващи дори професионалните математици, основната идея зад унификацията остава изненадващо проста: силите на природата могат да се видят като вибрации в по-високо измерно пространство.
Какво се е случило преди Големия Взрив?
Едно от предимствата на теорията на всички сили, е че можем да решим едни от трънливите, дълго-стоящи въпроси във физиката, също като произхода на вселената, и съществуването на “червееви дупки” и дори машини на времето. 10 Пространствената суперструнна теория например, ни дава завършено обяснение за произхода на Големия Взрив, космическата експлозия която се случила преди 15-20 милиарда години, която изхвърлила звездите и галактиките във всички посоки. В тази теория вселената първоначално е започнала като перфектна 10 пространсвена Вселена с нищо вътре в нея. В началото Вселената е била напълно празна. Въпреки това тази 10 пространствена Вселена не била стабилна. Първоначалното 10 пространствено пространство-време се е "пречупило" на 2 парчета, на 4 измерна и 6 измерна Вселена. Вселената е направила "квантов скок" към друга Вселена в която 6 от 10-те измерения колапсирали и се накъдрили в малка топчица, позволявайки на останалите 4 измерения да експлоадират навънка с огромна скорост. 4 измерната Вселена (нашия свят) се разширил бързо, създавайки Големия Взрив, докато 6 измерната Вселена се свила в себе си в мъничка топчица с безкрайно малък размер. Това обяснява произхода на Големия Взрив. Текущото разширение на Вселената, което може да измерим с нашите инструменти е по-скоро миниатюрен последващ шок (резонанс) от по-катаклизмичен колапс: разрушаването (разделянето, счупването) на 10 измерната Вселена в 4 и 6 измерна Вселена.В частност, това също обяснява защо ние не можем да измерим 6 измерната Вселена, защото тя се е свила до размер много по малък от атом. Ето защо, нито един земен експеримент не може да измери тази Вселена, защото тя се е свила до мъничка топчица, която не може да се анализира дори и от нашите мощни инструменти. Това би било доста отчайващо за тези които биха искали да посетят тези по-високи измерения през живота си. Тези по-високи измерения са просто много мънички за влизане).
Машини на времето?
Друг дългостоящ въпрос засяга паралелните вселени и пътуването във времето. Според гравитационната теория на Айнщайн, пространство-времето може да бъде визуализирано като тъкан, която се опъва и огъва от присъствието на материя и енергия. Гравитационното поле на черна дупка, например, може да се визуализира като фуния, с мъртва, колапсирала звезда в центъра му (виж. Фиг. 6). Някой, който няма късмет и се приближи много до фунията неумолимо ще падне в нея и ще умре. Съществува обаче една загадка, която се изразява в това, че според уравненията на Айнщайн, фунията на черната дупка по необходимост свързва нашата с друга паралелна вселена. И по-нататък, ако фунията свързва нашата вселена със себе си, тогава имаме “червеева дупка” (виж. Фиг. 7). Тези аномалии не смущавали Айнщайн, защото се е смятало, че пътуването през гърлото на тунела, наречено “мост на Айнщайн Розен”, би било невъзможно (тъй като всеки, който би паднал в черната дупка би бил убит).Въпреки това, през годините физици като Рой Кер както и Кип Торн в Калифорнийския Институт по Технология са открили нови решения на уравненията на Айнщайн, в които гравитационното поле не става безкрайно в центъра, т.е. ако ракета може да пътува през моста Айнщайн-Розен към алтернативна Вселена (или отдалечена част на нашата собствена вселена) без да бъде разкъсана от мощните гравитационни полета. (Тази червеева дупка, всъщност е математическото представяне на Лупата на Алис.)Дори по-интригуващо, тези червееви дупки могат да се разгледат като машини на времето. Тъй като двата края на червеевата дупка могат да свързват две времеви ери, Торн и колегите му са калкулирали условията, които са необходими за да се влезе в червеева дупка в една времева ера и да се излезе в другия край в друга времева ера. (Торн не се страхува от факта, че енергията, която е необходима за отварянето на мост Айнщайн-Розен надхвърля енергията на звезда, и следователно е отвъд възможностите на днешната технология. Но според Торн, това е само малък детайл за инженерите на някоя напредната цивилизация в космоса!) Торн дори е дал груба идея как може да изглежда машината на времето, когато бъде построена. (Представете си обаче, хаоса, който би възникнал ако машините на времето бяха нещо обикновено като колите. Историческите книги никога не биха могли да бъдат написани. Хиляди постоянно щяха да се връщат във времето за да елиминират предците на техните противници, да променят изхода от Първата и Втората Световни войни, да спасят Джон Кенеди и Абрахам Линкълн, и т.н. “Историята” както я познаваме би станала невъзможна, изхвърляйки на улицата професионалните историци. С всяко пътуване с машината на времето, исторята ще се променя като пясъци издухани от вятъра.) Други физици, обаче, като Стивън Хокинг, гледат съмнително на пътуването във времето. Те казват, че квантовте ефекти (също като силната радиационни полета във фунията) могат да затворят моста на Айнщайн-Розен. Хокинг дори говори за експериментално “доказателство”, че машините на времето не са възможни (т.е. ако те съществуваха, ние бихме били посетени от туристи от бъдещето).Това противоречие наскоро генерира тонове хартия и документи във физичната литература. Същината на проблема е, че въпреки, че уравненията на Айнщайн за гравитацията позволяват пътуване във времето, те също не престават да важат, когато се доближаваме до черната дупка, и квантовите ефекти, също като радиацията, взимат връх. Но за да калкулираме това, ако тези квантови корекции са толкова силни, че да затворят моста Айнщайн-
Розен, ние се нуждаем от унифицирана теория на полето, която включва едновременно гравитационната теория на Айнщайн и квантовата теория за радиацията. И двете страни на противоречието с течение на времето показват, че в крайна сметка този въпрос може да се разреши с Теорията на Всичко.
Предсъздаване на Съзиданието
Въпреки, че 10 измерната суперструнна теория е наричана най-впечатляващото откритие в теоретичната физика през миналите десетилетия, критиците й са се фокусирали върху най-слабата й точка, която е почти невъзможна за тестване. Енергията, при която четирите фундаментални сили се сливат в една, обединена сила се случва в митичната “Планкова енергия”, която е милиард милиард пъти по-голяма от енергията, която е открита в протон. Дори ако всички нации на Земята се обединят в едно и построят най-големия атомен разбивач в историята, той пак няма да е достатъчно силен за тестване на теорията. Поради това, някои физици се присмиват на идеята, че суперструнната теория дори може да се счита за легитимна “теория”. Нобеловия лауреат Шелдън Глашоу, например, е сравнил суперструнната теория с програмата Междузвездни Войни на бившия президент Рейгън (поради това, че не може да се тества и хаби най-добрия научен талант). Причината, порати която теорията не може да се тества е доста проста. Теорията на Всичко е необходимо да е теория на Съзиданието, тоест, тя трябва да обяснява всичко от произхода на Големия Взрив до лилиите в полето. Пълната й сила е манифестирана незабавно още при Големия Взрив, където всичките й симетрии били непокътнати. За да тестваме тази теория следователно, трява да пресъздадем Съзиданието на земята, което е невъзможно с днешната технология. (Този критицизъм се прилага, в действителност, към която и да е теория на Създаването. Философа Дейвид Хюм, например е вярвал, че научна теория на Съзиданието е философски невъзможна. Това е така поради факта, че основата на науката лежи на предъздаването (репродуцирането), а Съзиданието е едно събитие, което никога не може да се пресъздаде в лаборатория.)
Въпреки, че това е доста обезкуражително, едно парче от пъзела може да се предостави от Суперпроводимия Суперразбивач (Superconducting Supercollider - SSC), който, ако се построи ще бъде най-големия атомен разбивач в света. SSC (който най-вероятно ще бъде отменен от Конгреса) е направен така, че да ускорява протоните с енергии от порядъка на десетки трилиони електрон волтове. Когато тези суб-атомни частици се сблъскат една в друга при тези невероятни енергии в SSC, ще бъдат генерирани такива температури, които не са били виждани още от създаването на Големия Взрив. Ето защо това понякога е наричано “прозорец към Съзиданието”. Струващ 8-10 милиарда, SSC се състои от мощни магнити, които са разположени в тръба дълга 50 мили. В действителност, тя може да пасне перфектвно в околовръстното на Вашингтон. Ако и когато се построи, физиците се надяват, че SSC ще открие някакви суб-атомни частици за да допълни днешното разбиране за четирите сили. Въпреки това, също има малък шанс, физиците да открият “супер-симетрични” частици, които може да бъдат останките от оригиналната суперструнна теория. С други думи, въпреки че суперструнната теория не може да бъде тествана директно от SSC, ние се надяваме, че ще открием резонансите от суперструнната теория сред останките от сблъскалите се протони при енергии невиждани от Големия Взрив насам.
Превод:EON