 |
Судар брана / When Branes Collide |
|
| Do extra dimensions explain some of the mysteries of the universe? Or do they create more mysteries? | ||
|
Superstrings/M.Kulyk/Photo Researchers |
Near the end of the nineteenth century, the prevailing feeling anong physicists was that they hadn’t much left to do apart from tidying up a few loose ends in the theories of the day. As it turned out, those “loose ends” would haunt the minds of the greatest thinkers for the next several decades and eventually spawn the new physics of quantum mechanics and relativity, which dominate the field today. Now, at the dawn of the twenty-first century, physicists again find themselves at a familiar crossroads in their effort to wrap the universe into a neat, manageable parcel governed by a handful of elegant equations. | |
|
|
Могу ли екстра димензије решити загонетку универзума? Хоће ли оне довести
до новог мноштва нерешивих мистерија? На крају деветнаестог века, међу физичарима је преовладало осећање да им није много шта преостало, осим да повежу неколико «лабавих завршетака» тадашњих теорија. Испоставило се да ти «лабави завршеци» могу прогонити највеће умове следећих неколико деценија и коначно произвести нову физику квантне механике и релативности, које данас доминирају. Сада, у освит двадесет-првог века, физичари се поново налазе на сличној раскрсници, у настојањима да сместе универзум у уредан, питом пакет, вођен прегрштом елегантних једначина. |
|
|
До данас, никаква гравитациона испитивања нису обављана на растојањима мањим од 0,2 mm. Ако је наш обзервабилни универзум некако умотан у другу велику просторну димензију, то би могло објаснити мистериозне аспекте гравитације, као што је тамна материја, или зашто је гравитација толико слабија од осталих фудндаменталних сила. Неки физичари мисле да бисмо могли потврдити екстра димензије до 2005. |
Као што је било пре скоро једног века, свеже идеје су настајале из коначне
«теорије свега». Данас физичари ради одговора траже више димензије.
Постоје и претходни показатељи, на крају фронта теорије, по којима би то
могао бити добар траг. У царству људског искуства, четири димензије (три просторне и једна временска), добро описују реалност. Али шта ако заиста има рецимо, шест додатних просторних димензија, које су са нашег стано-вишта прикривене? Ако је једна од додатних димензија тако велика да садржи сав видљиви универзум док су осталих пет умотане у тако мало, да их уопште не можево видети, да ли би смо икад били у стању причати о разликама? Према M-теорији, водећем такмичару за привлачном титулом Коначне теорије, то би могло бити. Како сада стоје ствари, М-теорија је последња, нај-фундаменталнија вер-зија теорије суперструна (енгл. Super-strings), конструисана да би елементарне честице (у додатку и цео универзум) могле бити описане помоћу таласо-ликих вибрација основних ентитета названих струне (strings). Чињеница је да М-теорија уједињује пет претходно неповезаних верзија теорије суперструна у један доследан облик. Према М-теоретичарима, наш универзум лежи на три-димензи-оналној мембрани или «брани» која плови у петој димензији (четврта димензија је време). Теорија такође уводи пет виших просторних димензија, које се уопште узевши могу игнорисати, јер су умотане у мале кругове далеко мањег пречника од једног протона. Уврнуто, како те идеје могу звучати, али неколико физичара су недавно применили М-теорију у разматрање главних космолошка питања. |
|
|
М-теорија отвара нове путеве за истраживање историје Универзума одбацујући тврдњу да је Велики прасак почетак простора и времена. Градећи на екпиротичком моделу (горња слика), Паул Штајндарт и његове колеге су недавно направили циклични модел универзалног настанка (следећа слика). Тај циклични модел држи да, уместо слепљивања због судара, паралелне мембране (оне са позитивном и оне са негативном напетошћу) се одмах раздвајају. Наш Универзум еволуира на једној од тих брана, почињући космичко убрзавање трилионима година. Коначно, универзум постаје гладак, празан и раван, са укупном енергијом блиском нули. Пошто се тај више-димензионални јаз никад не затвара, процес се може поновити. |
Мајкл Тјурнер (Michael Turner), космолог Чикашког универзитета, привучен
тражењем решења неколико космичких загонетки који произилазе из
интеракција «мембрана» виших димензија. Толико далеко, колико
конве-нционална физика може испричати шта је то заправо Велики прасак (Big
Bang), шта га је проузроковало, или зашто се ширење универзума убрзава,
Тјурнер каже: «Теорија Великог праска је била невероватно успешна, али она
је и једина теорија о ономе шта се десило након Великог праска». Шта више,
тамна енергија удружена са космичким убрзавањем, за коју се сматра да
крије знатне количине енергије универзума, је једнако мистична. «Досезање
дна тих мистерија са додатним димензијама може звучати натегнуто», каже
он. «Али нама и требају луцидне идеје да би то дно дотакли». Групе научника су већ започели испробавање М-теорије на најтежим од ових проблема. Паул Штајнхарт (Paul Steinhardt) физичар Принстон универзитета, један од првих поборника космичке инфлације (ширења надувавањем), који тврди да је Универзум изненада претрпео глатки период брзог ширења, у малом делу секунде након Великог праска, да би сада радио на М-теорији тражећи алтернативу инфлацији. У додатку, Штајнхарт и његове колеге Justin Khoury из Принстон универзитета, Burt Ovrut из Пенсилванијског универзитета и Нил Турк Neil Turok из Кембриџа, понудили су објашњење за узрок Великог праска и догађаје пре тога. Према њиховом моделу, презе-нтованом марта 2001. који дуплира екпиротик сценарио, где грчка реч ekpyrosis значи пожар, Велики прасак би могао бити међу-производ жестоке колизије између две равне и паралелне мембране провучене кроз пету димензију. У принципу нема ограничења за настајање Универзума из таквог мега димензионалног чеоног судара. Довољно енергије и топлоте могли би произвести такав догађај и ширење које сада опажамо, без инфлације. Температура и густина флуктуација које астрономи данас опажају могу бити придодате квантним наборима на свакој од (мем)брана, чинећи неке регије топлијим од осталих. Говорећи о светој крави, каква је инфлација, Штајнхарту и друштву су убрзо стигле гласне реакције. Прве су дошле оне из Станфорд универзитета, теоретичара инфлацје Андреа Линдеа (Andrei Linde). Заједно са својим станфордским колегом и женом Renata Kallosh и Lev Kofman са Универзитета у Торонту, Линде је публиковао једну онлајн (у склопу система) критику након нешто више од седмице након што је први екпиротик папир објављен. (на сајту www.astronomy.com). Линде је, међу осталима, скептичан по питању густине флуктуација, једнако као и о могућности опстанка «сингулари-тета» мембране – тачке бесконачне температуре и густине када се време зауставља и конвенционална физика не важи – последице судара мембрана. «То је као бацање столице у црну јаму, што би испарило честице столице, за којим би уследила прича да је некако сачуван обрис столице», рекао је. |
|
|
|
«Оно што изгледа као сингуларност у четири димензије, неће бити такво у
пет димензија», брани се Штајнхарт. «Када се бране здробе заједно, пета
димензија привремено исчезава, али саме бране не. Тако густина и
температура не постају бесконачне и време тече равно кроз. Мада општа
релативност полуди, остаје теорија струна. Оно што је једном личило на
катастрофу у нашем моделу изгледа подесно.» Екпиротик сценарио је такође дошао под удар због свог скученог скупа почетних услова, захтева да две бране буду савршено хомогене, равне и паралелне. «Ако почнете са перфекцијом, можда ћете бити у стању објаснити то што видите,» каже Линде. «Али вам још увек требају одговори на питање: Зашто је универзум морао имати савршен почетак?» Инфлација једнако лежи на претпоставкама, каже Штајнхарт. «Она ради у ширем опсегу почетних услова, али не и у бесконачном опсегу.» Оно што он и његови сарадници предлажу је по концепту и филозофски различито, додаје. «Кажемо да је тамо читава предисторија универзума, један огроман период времена пре Великог праска, експоненцијално дужи од каснијег (inferred age) периода нашег Универзума, током којег су се мембране спљоштиле у нај симетричније, енергетски најниже стање.» Након колизије, могло је бити времена за довођење у равнотежу и постизање једнолике температуре. Пре него што су астрономи започели трку замене инфлације сударом брана
, MIT физичар и творац инфлације Алан Гут (Alan Guth) је упозорио да та
два сценарија не морају бити узајамно искључиви. Заправо, они могу бити
комплементарни. «На дуге стазе, мислим да је неизбежно да теорија
стрингова и М-теорија инкорпоришу инфлацију, јер се чини да је инфлација
једно очигледно решење», рекао је. |
|
|
Yet Turner, посебно, још није потпуно уверен да равне бране могу решити те
изванредне космичке загонетке. «Не треба бити генијалан да би приметио
колико су све те идеје погрешне, или непотпуне. Ми смо још увек у веома
раној фази разумевања екстра димензија (под претпоставком да такве
постоје) и њихових космолошких имплика-ција.» Нико не оспорава предлог да треба радити на развоју М-теорије. И откако је она била грађена као «теорија свега», проћи ће пуно времена док не стигнемо до детаља. «Чак нити тада нећемо знати потпуну теорију, увек ће остати доста на поверењу», каже Tye. «На исти начин, знамо да су Њутнови закони само део приче, али их стално користимо. Они раде фино све док су у правом режиму. Brian Greene са Колумбијског универзитета се слаже да се нова физика тек уобличава, али разматрајући међуделовање космо-логије и теорије струна каже да би то могло бити «нај плодније место за рад данас». Космологији се, он додаје, нуди најбоља могућност за тестирање идеја М-теорије и теорије струна, јер је енергија коју можемо произвести у акцелераторима квадрилион пута премалена. «Ми радимо на тој теорији више од две деценије без нових података». Истражујући посебне особине космичког позадинског микро-таласног зрачења, Greene и његове колеге се надају да ће наћи «обзервабилне знакове да радимо на правој теорији». «Било би сјајно знати да нисам посветио своју каријеру нечему што је смеће – да ми управо можда имамо алат примењив на питања као што су порекло универзума, на која нисмо могли одговорити раније,» каже Greene. |
||
|
By Steve Nadis, Astronomy May 2002 |
Према М-теорији, честице од којих се састоји универзум, укључујући фотоне,
су затворене у брану која их је створила. То јест, изузев гравитације (још
неоткривеног носача гравитационе силе), која може побећи у екстра
димензије. Према томе, са способношћу ношења информације у алтернативне димензије, гравитација можда нуди јединствен прозор у више-димензионалан простор паралелних универзума. «Ми смо попут мрава заглављених на плочи, несвесних да више димензије не опажамо», објашњава Gia Dvali, физичар Њујоршког универзитета. Оближња брана, љуска у брани, која скрива екстра димензије, је можда снабдевена гравитационом привлачном силом коју обично приписујемо тамној материји, додаје Dvali. Текуће убрзање универзума могло би потицати од цурења гравитације у екстра димензије. |
