TEMA BROJA
Ivan Kremer
Teorija struna
Čestice kao talasi
Istraživači se okreću upotrebi algoritama veštačke inteligencije u cilju pronalaska odgovarajućih rešenja za probleme i izazove koje teorija struna donosi.Za teoriju struna često se kaže da je kandidat za teoriju svega, odnosno da bi mogla predstavljati objedinjeno objašnjenje koje spaja Ajnštajnovu teoriju relativnosti i kvantnu mehaniku. Teorija relativnosti, između ostalog, objašnjava gravitaciju na makroskopskom nivou, a kvantna mehanika se bavi objašnjenjima strukture supstance na subatomskom nivou. Sa stanovišta opšte relativnosti postoji nešto što se naziva prostorno-vremenski kontinuum, odnosno svet je sačinjen od tri prostorne i jedne vremenske dimenzije. U takvoj postavci stvari, gravitacija predstavlja posledicu savijanja, odnosno „ulubljivanja“ prostorno-vremenskog kontinuma, a razlog tog ulubljivanja je posedovanje mase.
U čestičnoj fizici, gravitacija je, uz električnu, magnetnu i dve nuklearne, jedna od osnovnih sila Univerzuuma. Kvantna mehanika zasnovana je na pretpostavci da sva supstanca ima dvostruku prirodu, odnosno da se svaka čestica može ponašati kao elektromagnetni talas i obrnuto. Ukoliko čestice posmatramo kao talase, onda one ne mogu imati tačnu lokaciju u prostoru već se samo može pričati o delovima prostora sa većom verovatnoćom njihovog nalaženja, kao što i pretpostavlja Hajzenbergov princip neodređenosti.
Kvantna mehanika i Teorija relativnosti
Teorija struna nudi elegatno objašnjenje razloga postojanja ove dualističke prirode sveta, odnosno zašto se, u određenim fenomenima, čestica ponaša kao čestica, a zašto je u drugim fenomenima bolje opisana osobinama talasa. Prema teoriji struna, razlog tome leži u činjenici da je svet sačinjen od malih vibrirajućih struna. Načini vibriranja tih struna bi, onda, trebalo da odrede da li će se više ispoljiti osobine čestice ili talasa. Može se posmatrati da sve subatomske čestice nastaju kao posledica određenog načina vibriranja pomenutih struna, ali bolje je reći da određeno vibriranje strune daje iluziju postojanja neke čestice ili sile. Kao što je Ajnštajn kroz fotoelektrični efekat dokazao da svetlost, koja predstavlja elektromagnetni talas, može ispoljiti i čestičnu prirodu, odnosno da svetlost poseduje i česticu posrednika, foton, tako se i sili gravitacije može pripisati njena čestica posrednik, graviton. Ako se to posmatra kroz teoriju struna, onda bi i graviton bio samo posledica vibriranja strune, a samim tim i gravitacija kao pojava bila objašnjena postojanjem struna. Ovakvo objašnjenje gravitacije predstavlja spoj između kvantne mehanike i Teorije relativnosti.
Za teoriju struna često se kaže da je kandidat za teoriju svega, odnosno da bi mogla predstavljati objedinjeno objašnjenje koje spaja Ajnštajnovu teoriju relativnosti i kvantnu mehaniku. Teorija relativnosti, između ostalog, objašnjava gravitaciju na makroskopskom nivou, a kvantna mehanika se bavi objašnjenjima strukture supstance na subatomskom nivou. |
Teorija struna nije eksperimentalno potvrđena i pitanje je da li je nešto tako moguće. Sa druge strane, istraživači teorije struna rade na matematičkim modelima koji bi opisali vibriranja struna koji bi generisali čestice kakve poznajemo u našem Univerzuumu. Međutim, taj zadatak nije nimalo lak. Kroz razvoj matematičkih modela, istraživači su, još osamdesetih godina prošlog veka, shvatili da je potrebno uvesti još prostornih dimenzija. Drugim rečima, da bi teorija bila matematički objašnjena, bilo je neophodno pretpostaviti da ukupno postoji bar deset dimenzija, odnosno bar devet prostornih, uz jednu vremensku - a da ih mi ne opažamo sve. Naše neopažanje preostalih šest dimenzija objašnjeno je činjenicom da su one sakrivene u minijaturnom svetu, odnosno da su opažajno zanemarljive za posmatrača iz makrosveta. Slično kao što, recimo, neki trodimenzionalni objekat poput baštenskog creva izgleda kao jednodimenzionalna linija, posmatran izdaleka, odozgo. Takođe, pretpostavljeno je da su te dimenzije sklupčane na određeni način. Naime, postulira se postojanje tzv. šestodimenzionalnih entiteta, odnosno oblika, sklupčanih delova šestodimenzionalnog prostora u kojima se strune spajaju i tada generišu kvatna polja, čije aspekte opažamo u našem trodimenzionalnom svetu, u vidu čestica, elektromagnetnih talasa i sila. Problem prestavlja činjenica da, kada se matematički opišu, pomenuti šestodimenzionalni oblici, mogu se uvijati na nezamislivo veliki broj načina. Pretpostavlja se da postoji 10500 varijeteta tih oblika. Taj ogroman broj varijeteta šestodimenzionalnih oblika i potencijalnih univerzuma koji iz njih proističu naziva se pejzaž struna. A samo jedna geometrija šestodimenzionalnog oblika i način vibriranja strune daje čestice Univerzuuma kakvog mi znamo. To je naizgled činilo nemogućim matematičko opisivanje prave konfiguracije koja odgovara našem Univerzuumu i dovelo do zastoja u daljem razvoju ove teorije. Sa druge strane, dobru stvar predstavlja kompatibilnost ove teorije sa teorijom postojanja drugih univerzuma, odnosno teorijom multiverzuma, a donekle i sa pretpostavkom da naš Univerzuum predstavlja računarsku simulaciju.
U poređenju sa našim Univerzuumom
Nakon dugog zastoja u pronalaženju prave šestodimenzionalne konfiguracije, nedavni napredak u razvoju veštačke inteligencije omogućio je proračune kakvi ranije nisu bili mogući, podgrevajući nade za pronalazak rešenja. Veštačka inteligencija, odnosno neuronske mreže, mogu pomoći u pretpostavljanju osobina univerzuma koji proističe iz nekog šestodimenzionalnog oblika i, naposletku, u pronalasku pravog šestodimenzionalnog oblika koji odgovara našem Univerzuumu.
Dobar potencijalni put do pronalaska „našeg“ šestodimenzionalnog oblika i načina vibriranja struna jeste da prvo teorijskim putem suzimo broj potencijalnih šestoimenzonalnih oblika izborom jednog ili nekoliko tipova uvijanja, a nakon toga, upotrebom neuronskih mreža, dalje suzimo broj oblika biranjem klasa tog tipa uvijanja i naposletku suzimo izbor na jedan oblik. Zatim, takođe upotrebom neuralnih mreža, proučimo načine interakcije struna i generisana kvantna polja u izabranom kandidatu šestodimenzionalnog oblika, koji je proistekao iz teorijskog i AI sužavanja broja kandidata, vidimo osobine univerzuma koji nastaje iz toga i proverimo koliko odgovaraju našem.
Broj konfiguracija šestodimenzionalnih oblika potencijalno sužava povezanost nekih njihovih osobina, poput recimo broja šupljina u obliku, sa osobinama univerzuma koji proističe iz njih, poput recimo broja osnovnih čestica koje čine taj univerzum. S obzirom da znamo koliko osnovnih čestica čini naš Univerzuum, biraćemo šestodimenzionalne oblike koji odgovaraju tom broju po broju šupljina. Često je, za dalja proučavanja, izabran tip uvijanja, odnosno tip konfiguracije šestodimenzionalnih oblika poznat kao tzv. Kalabi-Jau mnogostrukost. Da bi se u potpunosti pretpostavile osobine univerzuma koji proističe iz nekog 6D oblika, poput recimo jačine sila koje deluju u njemu, mase čestica koje ga čine i slično, mora se znati detaljan geometrijski izgled uvijanja tog oblika, odnosno svaka krivina, svako udubljenje. Takvo precizno pretpostavljanje oblika jedino je moguće određivanjem tzv. metričke funkcije za taj oblik. Metrička funkcija predstavlja funkciju nekog oblika koja, kada se u nju ubace bilo koje dve tačke na tom obliku, može predvideti rastojanje između njih. Recimo, za 2D ravan i oblik trougla, Pitagorina teorema predstavlja metričku funkciju. Zbog ovoga, poslednjih dvadesetak godina, određeni istraživači rade na određivanju metričke funkcije za tip uvijanja Kalabi-Jau mnogostrukost. U poslednjih pet godina, neuronske mreže počele su da se koriste i u svrhe pronalska metričke funkcije za oblike koji spadaju u tip uvijanja Kalabi-Jau mnogostrukost. Na toj problematici prvi su počeli da rade fizičar Fabijan Ruele sa Severoistočnog univerziteta u Bostonu i njegov tim, a danas radi više grupa istraživača i postoje različiti softverski paketi za tu svrhu.
Najpre, neuronska mreža
Saradnjom britanskih i kineskih istraživača, 2017. godine objavljen je rad koji opisuje upotrebu neuronskih mreža, treniranih na prethodno dostupnim podacima, za proučavanje pejzaža struna, kako za klasifikaciju tako i za predviđanje.
Trenutno korišćene neuronske mreže ne mogu da se izbore sa šestodimenzionalnim oblicima sa većim brojem šupljina, kao ni sa komplikovanijim kvantnim poljima. Za proračune koji će jednog dana iznedriti vrednosti masa čestica, kosmoloških konstanti i jačina interakcija koje odgovaraju našem Univerzuumu, biće potrebne sofisticiranije neuronske mreže - i taj dan je sve bliži. |
Međunarodni tim istraživača, predvođen fizičarom Čelindžerom Mišrom, sa Univerziteta u Kembridžu, najpre je napravio neuronsku mrežu koja je odredila metričku funkciju, samim tim i preciznu geometriju jednog šestodimenzionalnog oblika. Zatim je, upotrebom dodatnih algoritama, proračunao način na koji se nastala kvantna polja preklapaju dok okružuju dobijenu geometriju šestodimenzionalnog oblika. To je timu omogućilo da izračuna vrednosti takozvanih Jukava interakcija, koje određuju koliko čestice interaguju sa tzv. Higsovim poljem, samim tim i koliku masu poseduju, pošto vrednost mase čestica zavisi od jačine interakcija čestice sa Higsovim poljem. Dobijene vrednosti Jukava interakcija ukazivale su na misterioznu pojavu specifičnih razlika u masama tri generacije čestica, koja je poznata i u Standardnom modelu, što povezuje dobijeni šestodimenzionalni oblik sa našim Univerzuumom.
Doktor Andrej Konstantin, sa Oksforda, sa svojim timom uspeo je da automatizuje proces sužavanja potencijalnih 6D oblika, napravivši „formule“ koji sugerišu klase Kalabi-Jau mnogostrukosti, čiji oblici odgovaraju univerzumima sa istim brojem osnovnih čestica kao u našem, a razlikuju se u jačini nekih interakcija.
U prošle godine objavljenom radu, pomenuti dr Andrej Konstantin i dr Andre Lukas sa Oksforda, zajedno sa kolegom Burtom Ovrutom, sa Univerziteta u Pensilvaniji, krenuvši od Rueleovog softverskog paketa za određivanje metričke funkcije, dodali su 11 neuralnih mreža u cilju određivanja asortimana kvantnih polja. Na ovaj način dobijeno je šest različitih geometrija oblika i određene su njihove metričke funkcije, a za svaki oblik određen je raspored polja oko njega i izračunate su vrednosti Jukava interakcija. Kao rezultat toga, dobijene su mase po tri različite vrste kvarkova za svaki od šest šestodimenzionalnih geometrijskih oblika. Dobijene mase kvarkova definitivno ne odgovaraju masama kvarkova u našem Univerzuumu, ali predstavljaju još jedno „konkretno rešenje“ dobijeno upotrebom veštačke inteligencije.
Trenutno korišćene neuronske mreže ne mogu da se izbore sa šestodimenzionalnim oblicima sa većim brojem šupljina, kao ni sa komplikovanijim kvantnim poljima. Za proračune koji će jednog dana iznedriti vrednosti masa čestica, kosmoloških konstanti i jačina interakcija koje odgovaraju našem Univerzuumu, biće potrebne sofisticiranije neuronske mreže - i taj dan je sve bliži.
Ivan Kremer
Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"
|
