كتاب "المناظر الطبيعية الكونية. نظرية الأوتار وخداع التصميم الذكي للكون

اقترح ليونارد ساسكيند ، عالم فيزياء أمريكي شهير وأحد مبدعي نظرية الأوتار ، في وقت ما مفهومًا ثوريًا لفهم الكون ومكان الإنسان فيه. من خلال بحثه ، ألهم ساسكيند مجرة ​​من الفيزيائيين العصريين الذين اعتقدوا أن هذه النظرية يمكن أن تتنبأ بشكل لا لبس فيه بخصائص كوننا. الآن ، في كتابه الأول لمجموعة واسعة من القراء ، صقل ساسكند وجهات نظره وأعاد التفكير فيها ، بحجة أن هذه الفكرة ليست عالمية بأي حال من الأحوال ، ويجب أن تفسح المجال لمفهوم أوسع بكثير عن "المشهد الكوني" العملاق.

يقول سوسكيند إن البحث في بداية القرن الحادي والعشرين سمح للعلم بالارتقاء إلى مستوى جديد في معرفة العالم. وهذا الكتاب الرائع الذي يأخذ القارئ إلى الخطوط الأمامية للمعارك في الفيزياء الحديثة هو تأكيد حي على ذلك.

كون فائق التناظر أنيق؟

المبادئ الحقيقية الكامنة وراء نظرية الأوتار يكتنفها الغموض الكبير. يتضمن كل شيء نعرفه تقريبًا عن النظرية جزءًا خاصًا من المشهد حيث يتم تبسيط الرياضيات بشكل مدهش بفضل خاصية تسمى التناظر الفائق. تشكل المناطق فائقة التناظر في المناظر الطبيعية سهلًا مسطحًا تمامًا يقع على ارتفاع مساو تمامًا للصفر ، مع خصائص متناظرة للغاية بحيث يمكن حساب العديد من الأشياء دون معلومات عن المشهد بأكمله. إذا كان شخص ما يبحث عن البساطة والأناقة ، فإن السهل المسطح لنظرية الأوتار الفائقة التناظر ، والمعروفة أيضًا باسم نظرية الأوتار الفائقة ، هو بالضبط المكان الذي يجب الانتباه إليه. في الواقع ، قبل عامين كان هذا المكان هو المكان الوحيد الذي اهتم به منظرو الأوتار. لكن بعض الفيزيائيين قد تخلصوا بالفعل من هوس السحر ويحاولون التخلص من التبسيط الأنيق للعالم الخارق. والسبب بسيط: العالم الحقيقي ليس متناظرًا فائقًا.

لا يمكن أن يكون العالم الذي يحتوي على النموذج القياسي وثابت كوني غير صفري صغير على مستوى ارتفاع صفري. يقع في مكان ما في منطقة غير مستوية من المناظر الطبيعية مع التلال والوديان والهضاب العالية والمنحدرات الشديدة. ولكن هناك سبب للاعتقاد بأن وادينا قريب من الجزء الفائق التناظر من المناظر الطبيعية وأن بعض بقايا المعجزة الرياضية الفائقة يمكن أن تساعدنا على فهم ميزات العالم التجريبي. أحد الأمثلة التي سنغطيها في هذا القسم هو كتلة بوزون هيجز. في الواقع ، كل الاكتشافات التي جعلت هذا الكتاب حقيقة هي أول محاولات خجولة للابتعاد عن سهل فائق التماثل.

يخبرنا التناظر الفائق عن الاختلافات والتشابهات بين البوزونات والفرميونات. مثل الكثير في الفيزياء الحديثة ، يمكن إرجاع مبادئ التناظر الفائق إلى الأعمال الأولى لأينشتاين. في عام 2005 ، احتفلنا بالذكرى المئوية لـ "anno mirabilis" ، عام عجائب الفيزياء الحديثة. بدأ أينشتاين ثورتين هذا العام وأكمل الثالث. بالطبع ، كان هذا عام نظرية النسبية الخاصة. لكن قلة من الناس يعرفون أن عام 1905 كان أكثر بكثير من "عام النسبية". كما ميز ولادة الفوتونات ، بداية ميكانيكا الكم الحديثة.

حصل أينشتاين على جائزة نوبل واحدة فقط في الفيزياء ، على الرغم من أنني أعتقد أن كل جائزة نوبل مُنحت بعد عام 1905 تحمل أصداء اكتشافات أينشتاين. حصل آينشتاين على جائزة نوبل ليس لخلق نظرية النسبية ، ولكن لشرح التأثير الكهروضوئي. كانت نظرية التأثير الكهروضوئي هي مساهمة أينشتاين الأكثر راديكالية في الفيزياء ، حيث قدم لأول مرة مفهوم الفوتونات ، كمية الطاقة ، التي يتكون منها الضوء. كانت الفيزياء جاهزة لتلد نظرية خاصة للنسبية ، وكان إنشاؤها فقط مسألة وقت ، في حين أن نظرية الفوتون للضوء رعدت مثل صاعقة من الأزرق. أظهر أينشتاين أن شعاع الضوء ، الذي يمثل عادة كظاهرة موجية ، له بنية منفصلة. إذا كان للضوء لون معين (طول الموجة) ، فيبدو أن جميع الفوتونات تسير في الساق: كل فوتون متطابق مع أي فوتون آخر. تسمى الجسيمات التي يمكن أن تكون في نفس الحالة الكمية في نفس الوقت بوزونات تكريما للفيزيائي الهندي Chatyatranat Bose.

بعد ما يقرب من عشرين عامًا ، أثناء استكمال المبنى الذي وضعه أينشتاين ، سيوضح لويس دي بروجلي أن الإلكترونات ، التي يُنظر إليها دائمًا على أنها جسيمات ، تتصرف في نفس الوقت ومثل الموجات. مثل الأمواج ، الإلكترونات قادرة على الانكسار والانكسار والحيود والتدخل. لكن هناك فرق جوهري بين الإلكترونات والفوتونات: على عكس الفوتونات ، لا يمكن أن يكون إلكترونان في نفس الوقت في حالة الكم. يضمن مبدأ تثبيط باولي أن يكون لكل إلكترون في الذرة حالة كمومية خاصة به وأنه لا يمكن لأي إلكترون آخر أن يعلق أنفه في مكان مشغول بالفعل. حتى خارج الذرة ، لا يمكن أن يكون إلكترونان متطابقان في نفس المكان أو يكون لهما نفس الزخم. تسمى الجسيمات من هذا النوع الفرميونات باسم الفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي ، على الرغم من أنه يجب أن يطلق عليها اسم باولي. من بين جميع الجسيمات في النموذج القياسي ، حوالي النصف عبارة عن فيرميونات (إلكترونات ، ونيوترينوات ، وكواركات) ، والنصف الآخر عبارة عن بوزونات (فوتونات ، وبوزونات Z و W ، وغلوونات ، وبوزون هيجز).

تلعب الفرميونات والبوزونات أدوارًا مختلفة في صورة العالم. عادة نتخيل مادة تتكون من ذرات ، أي إلكترونات ونوى. في التقريب الأول ، تتكون النوى من بروتونات ونيوترونات تمسكها القوى النووية معًا ، ولكن على مستوى أعمق ، يتم تجميع البروتونات والنيوترونات من كتل بناء صغيرة - كواركات. كل هذه الجسيمات - الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات والكواركات - هي الفرميونات. المادة تتكون من الفرميونات. ولكن بدون البوزونات والذرات والأنوية والبروتونات والنيوترونات ستنهار ببساطة. هذه البوزونات ، في المقام الأول الفوتونات والغلوونات ، التي تقفز ذهابًا وإيابًا بين الفرميونات تخلق قوى الجذب التي تجمع كل شيء معًا. على الرغم من أهمية الفرميونات والبوزونات للعالم ليكون على ما هو عليه ، فقد اعتبرت دائمًا "حيوانات من سلالات مختلفة".

ولكن في بداية السبعينيات ، بدأ المنظرون المستوحون من النجاحات الأولى لنظرية الأوتار يلعبون بأفكار رياضية جديدة ، والتي لا تختلف في الواقع عن الفرميونات والبوزونات. كانت فكرة واحدة أن جميع الجسيمات تشكل أزواجًا مثالية من التوائم المتطابقة ، متطابقة من جميع النواحي ، باستثناء أن أحدها هو فرميون والآخر بوزون. لقد كانت فرضية جامحة. إن عدالتها للعالم الحقيقي تعني أن الفيزيائيين تمكنوا بطريقة ما من فقدان نصف جميع الجسيمات الأولية ، وفشلوا في العثور عليها في مختبراتهم. على سبيل المثال ، وفقًا لهذه الفرضية ، يجب أن يكون هناك جسيم له نفس الكتلة والشحنة وخصائص أخرى تمامًا مثل الإلكترون ، ولكنه ليس فرميون ، بل بوزون. كيف لم تلاحظ مثل هذا الجسيم في مسرعات ستانفورد أو سيرن؟ يفترض التناظر الفائق وجود توأم فرميون محايد بلا كتلة في الفوتون ، وكذلك توائم بوزون في الإلكترونات والكواركات. أي أن الفرضية تنبأت بعالم كامل من "الأضداد" المفقودة بشكل غامض. في الواقع ، كان كل هذا العمل مجرد لعبة رياضية ، دراسة نظرية بحتة لنوع جديد من التناظر - عالم غير موجود ، ولكن يمكن أن يوجد.

لا توجد جزيئات توأم متطابقة. لم يعبث الفيزيائيون ولا يفوتون العالم الموازي كله. ما الفائدة من هذه التكهنات الرياضية في هذه الحالة ، ولماذا تكثف هذا الاهتمام فجأة على مدى السنوات الثلاثين الماضية؟ لطالما اهتم الفيزيائيون بجميع أنواع التماثلات الرياضية ، حتى لو كان السؤال المعقول الوحيد الذي يمكن طرحه هو: "لماذا لا يكون هذا التماثل في الطبيعة؟" لكن كلا من العالم الحقيقي ووصفه المادي مليء بالتماثلات المختلفة. التماثل هو واحد من أكثر الأدوات طويلة المدى والأقوى في ترسانة الفيزياء النظرية. يتخلل جميع أقسام الفيزياء الحديثة ، وخاصة تلك المتعلقة بميكانيكا الكم. في كثير من الحالات ، يكون نوع التماثل هو كل ما نعرفه عن النظام المادي ، ولكن تحليل التماثل قوي جدًا لدرجة أنه يخبرنا غالبًا بكل ما نريد معرفته تقريبًا. غالبًا ما تكون التماثلات الحديقة التي يجد فيها الفيزيائيون الرضا الجمالي من نظرياتهم. ولكن ما هو التماثل؟

لنبدأ بالثلج. يعرف كل طفل أنه لا توجد رقاقات ثلج متطابقة ، ولكن في نفس الوقت لديهم جميعا سمة مشتركة ، وهي التماثل. يظهر تناظر ندفة الثلج على الفور. إذا أخذت ندفة ثلج وقمت بتدويرها بزاوية اعتباطية ، فستبدو مختلفة عن شكلها الأصلي - مستدير. ولكن إذا قمت بتشغيل رقاقة الثلج 60 درجة بالضبط ، فسوف تتزامن مع نفسها. يمكن للفيزيائي أن يقول إن تناوب 60 درجة في ندفة الثلج هو تناظر.


ترتبط التماثلات بالعمليات أو التحولات التي يمكن إجراؤها على النظام دون التأثير على نتيجة التجربة. في حالة ندفة الثلج ، تكون هذه العملية دوران 60 درجة. إليك مثال آخر: لنفترض أننا قمنا بتجربة تهدف إلى قياس تسارع الجاذبية على سطح الأرض. سيكون أبسط خيار هو إسقاط الحجر من ارتفاع معروف وقياس وقت سقوطه. الجواب: حوالي 10 متر في الثانية في الثانية. يرجى ملاحظة أنني لست قلقا بشأن إخبارك بمكان أسقطت الحجر: في كاليفورنيا أو في كلكتا. في تقريب جيد جدًا ، ستكون الإجابة هي نفسها في أي مكان على سطح الأرض: لن تتغير نتيجة التجربة إذا انتقلت مع جميع المعدات التجريبية من مكان على سطح الأرض إلى مكان آخر. في المصطلحات المادية ، يسمى التحول أو الحركة لشيء ما من نقطة إلى أخرى الترجمة. لذلك ، يمكننا أن نقول عن مجال الجاذبية للأرض أنه يحتوي على "التناظر الانتقالي". بالطبع ، بعض الآثار الجانبية يمكن أن تزعج نتائج تجربتنا وتفسد التماثل. على سبيل المثال ، من خلال إجراء تجربة على رواسب معدنية كبيرة جدًا وضخمة ، سنحصل على قيمة أعلى قليلاً من أماكن أخرى. في هذه الحالة ، يمكننا القول أن التناظر تقريبي فقط. يسمى التماثل التقريبي أيضًا التماثل المكسور. إن وجود رواسب منفصلة للمعادن الثقيلة "ينتهك التناظر الانتقالي".

هل يمكن كسر تناظر ندفة الثلج؟ لا شك أن بعض رقائق الثلج ليست كاملة. إذا تشكلت ندفة ثلج في ظروف غير كاملة ، فقد يختلف أحد جانبيها عن الآخر. سيظل شكله قريبًا من شكل سداسي ، لكن هذا السداسي سيكون غير كامل ، أي أنه سيتم كسر تناظره.

في الفضاء الخارجي ، بعيدًا عن أي تأثيرات مزعجة ، يمكننا قياس قوة الجاذبية بين كتلتين والحصول على قانون نيوتن للجاذبية الكونية. بغض النظر عن مكان إجراء التجربة ، يجب أن نحصل على نفس الجواب من الناحية النظرية. وهكذا ، فإن قانون الجاذبية النيوتوني له ثبات انتقالي.

لقياس قوة الجذب بين شيئين ، من الضروري ترتيبها على مسافة معينة من بعضها البعض. على سبيل المثال ، يمكننا ترتيب كائنين بحيث يكون الخط الذي يربطهما متوازيًا مع المحور x في نظام إحداثيات معين. وبنجاح متساوٍ ، يمكننا ترتيب الكائنات على خط موازٍ للمحور ص. هل ستعتمد قوة الجذب التي نحسبها على اتجاه الخط الذي يربط هذه الأشياء؟ من حيث المبدأ ، نعم ، ولكن فقط إذا كانت قوانين الطبيعة تختلف عن تلك التي لدينا. في الطبيعة ، ينص قانون الجاذبية الشاملة على أن قوة الجذب تتناسب مع ناتج الجماهير وتتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما ولا تعتمد على اتجاه شيء ما إلى آخر. يسمى الاستقلال عن الاتجاه التناظر الدوراني. التماثلات الترجمية والتناوبية هي أهم الخصائص الأساسية للعالم الذي نعيش فيه.

انظر في المرآة. إنعكاسك مثل قطرتين من الماء. لا تعكس الصورة المطابقة لبناطيلك السراويل نفسها. ينعكس انعكاس القفاز الأيسر القفاز الأيسر بالضبط.

توقف هناك خطأ ما هنا. دعونا ننظر مرة أخرى بعناية. صورة المرآة للقفاز الأيسر ليست مطابقة تمامًا للقفاز الأيسر. إنه مطابق للقفاز الأيمن! وصورة المرآة للقفاز الأيمن مطابقة للقفاز الأيسر.

الآن نلقي نظرة فاحصة على تفكيرك الخاص. هذا ليس أنت. الشامة الموجودة على خدك الأيسر على يمينك عند التفكير. وإذا فتحت صندوقك ، فستجد أن القلب في انعكاسك ليس على اليسار ، مثل جميع الأشخاص العاديين ، ولكن على اليمين. دعونا ندعو المرآة - رجل.


لنفترض أن لدينا تقنية مستقبلية تسمح لنا بتجميع أي شيء نريده من ذرات فردية. باستخدام هذه التقنية ، سنقوم ببناء شخص ستعيدك صورته المرآة بالضبط: القلب على اليسار ، النمش على اليسار ، إلخ. ثم سيكون الأصل الذي سنبنيه هو شخص.

هل يعمل الشخص بشكل طبيعي؟ هل سيتنفس؟ سوف قلبه ينبض؟ إذا أعطيته حلوى فهل يمتص السكر في تركيبته؟ الإجابة على معظم هذه الأسئلة هي نعم. بشكل أساسي ، يعمل الشخص بنفس الطريقة التي يعمل بها الشخص تمامًا. ولكن ستكون هناك مشاكل في التمثيل الغذائي له. لن يتمكن من امتصاص السكر العادي. والسبب هو أن السكر موجود في شكلين مرآة ، مثل القفازات اليمنى واليسرى. الشخص قادر على امتصاص شكل واحد فقط من أشكال المرآة للسكر. والشخص قادر على امتصاص السكر فقط. تختلف الجزيئات - السكر والسكر - عن بعضها البعض بنفس طريقة القفازات اليمنى واليسرى. يطلق الكيميائيون على السكريات العادية أن الشخص قادر على استيعاب أيزومرات D (من dextra اللاتيني - يمين) ، والسكريات المرآة التي يمكن فقط للبشر استيعابها - L-isomers (من اللاتينية lævum - يسار).

ويسمى استبدال أي شيء بانعكاس المرآة تناظر المرآة أو التماثل. إن نتائج انعكاس المرآة واضحة ، من حيث المبدأ ، ولكن دعونا نكرر شيئًا آخر مهمًا: إذا تم استبدال كل شيء في العالم بانعكاس المرآة ، فإن سلوك هذا العالم لن يتغير بأي شكل ولن يختلف عن سلوك عالمنا.

في الواقع ، تناظر المرآة ليس دقيقًا. إنه مثال جيد على التماثل المكسور. شيء ما يؤدي إلى حقيقة أن انعكاس المرآة للنيوترينو أثقل بكثير من الأصلي. هذا ينطبق على جميع الجسيمات الأخرى ، وإن كان ذلك بدرجة أقل بكثير. يبدو أن مرآة العالم العظيم ملتوية قليلاً ، فهي تشوه قليلاً الانعكاس. لكن هذا التشويه غير مهم لدرجة أنه لا يؤثر عمليًا على المادة العادية. ولكن في سلوك الجسيمات عالية الطاقة في عالم المرآة ، يمكن أن تحدث تغييرات كبيرة جدًا. ومع ذلك ، دعونا نتظاهر في الوقت الحالي بأن التناظر المرئي في الطبيعة دقيق.

ماذا نعني عندما نقول أن هناك علاقة تناظر بين الجسيمات؟ باختصار ، هذا يعني أن كل نوع من الجسيمات له شريك أو توأم له خصائص مشابهة للغاية. بالنسبة لتناظر المرآة ، هذا يعني أنه إذا كانت قوانين الطبيعة تسمح بوجود قفاز أيسر ، فمن الممكن وجود واحد صحيح. يعني إثبات وجود الجلوكوز D أن الجلوكوز L يجب أن يكون موجودًا أيضًا. وإذا لم يتم كسر تناظر المرآة ، يجب أن ينطبق الشيء نفسه على جميع الجسيمات الأولية. يجب أن يكون لكل جسيم توأم مطابق له حتى يعكس الانعكاس. عندما ينعكس الشخص ، يتم استبدال كل جسيم أولي يتكون من جسده بتوأم مرآته.

المادة المضادة هي نوع آخر من التناظر يسمى تناظر اقتران الشحنة. بما أن التماثل ينطوي على استبدال كل شيء بنظيره التناظري ، فإن تناظر اقتران الشحنة ينطوي على استبدال كل جسيم بمضاده. يغير الشحنات الكهربائية الموجبة ، مثل البروتونات ، إلى سالبة ، في هذه الحالة ، البروتونات المضادة. وبالمثل ، يتم استبدال الإلكترونات ذات الشحنة السالبة بوزيترونات موجبة الشحنة. يتم استبدال ذرات الهيدروجين بذرات هيدروجين تتكون من البوزيترونات والبروتونات المضادة. يتم الحصول على هذه الذرات بالفعل في المختبرات ، ومع ذلك ، بكمية صغيرة جدًا ، غير كافية حتى لبناء الجزيئات المضادة منها. لكن لا أحد يشك في أن الجزيئات المضادة ممكنة. الأجسام المضادة ممكنة بنفس الطريقة ، ولكن لا تنس أنه سيتعين عليك إطعامها بمضادات الطعام. في الواقع ، من الأفضل إبقاء الأشخاص المعادين للبشر والناس العاديين بعيدين عن بعضهم البعض. عندما تجتمع المادة مع المادة المضادة ، فإنها تدمر بعضها البعض ، وتتحول إلى فوتونات. إن الانفجار الذي يحدث إذا صافحت مصادفة ضد الإنسان عن طريق الخطأ سيكون أقوى من انفجار قنبلة هيدروجينية.

كما اتضح ، فإن تماثل اقتران الشحنة مكسور أيضًا قليلاً. ولكن ، كما هو الحال مع تناظر المرآة ، فإن تأثير هذا الانتهاك غير مهم تمامًا إذا لم نأخذ في الاعتبار جسيمات ذات طاقات عالية جدًا. نعود الآن إلى الفرميونات والبوزونات. تسمى نظرية الأوتار الأصلية الأولى التي طورناها مع نامبو نظرية الأوتار البوزونية ، لأن جميع الجسيمات التي تصفها هي بوزونات. إنه ليس مناسبًا تمامًا لوصف الهدرونات ، لأنه بعد كل شيء ، البروتون هو فرميون. وبنفس الطريقة ، فهي ليست مناسبة لدور نظرية كل شيء. الإلكترونات والنيوترينوات والكواركات كلها فرميونات. ولكن لم يمر الكثير من الوقت ، وظهرت نسخة جديدة من نظرية الأوتار ، والتي تحتوي بالفعل ليس فقط البوزونات ، ولكن أيضًا الفرميونات. — , , -, , .

. , . , , . , , . , . . , , . - , , 1970- . لماذا؟ ? .

, - , : . URL http://arXiv.org , , . , . . (hep), : (hep-ph) , (hep-th) — . , , hep-ph , , . . , hep-th . . , , , .

. . — , . , 2 , , ? , . , , , , . , , . , , . , . . , , . . , , . - . — ( , ), , .

«» «» , . , XX . , , . . -, . .

, . , . , , , , . , , .

, , , , . , . : , , . , — ? , , , , . - , , .

, . , . , , «». , , . , «», , , , , . . , .

, « ». , , , , … . ? لا أعتقد ذلك. , , , .

, , . , . , . , — . . , - , ( E = mc2). . , . , !

? , , . , , . , , , . , . , , . . ?

, , , ? . , . , , . , , , , « ». , , , .

. , , . , , . , « » , .

, , : « , , ? , ?» ?

, . - — . . , (, !) , .

. — . . , . : , , . . , , , , ! , — , , .

- http://arXiv.org , : General Relativity and Quantum Cosmology ( ) Astrophysics (). , , . - , ? : « , !»1 , , , , . , , , . , ( ), , . , . , , . , , 35- . , , . .

»يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول الكتاب على موقع الناشر على الويب
» المحتويات
» مقتطفات

لقراء هذه المدونة ، خصم 20 ٪ على القسيمة - Sasskind