นักฟิสิกส์ญี่ปุ่นได้สร้างแบบจำลองทฤษฎีสตริงที่จำลองการกำเนิดของจักรวาล ในแบบจำลองของพวกเขาบิ๊กแบงเป็น "เหตุการณ์การทำลายสมมาตร"-ความผันผวนที่ทำให้มิติเชิงพื้นที่สามมิติหลุดพ้นจากอีกหกมิติของทฤษฎีสตริงจากนั้นจึงคลี่ออกอย่างรวดเร็วเพื่อสร้างโครงสร้าง 3 มิติที่สังเกตได้ของจักรวาลของเรา
ทฤษฎีสตริง - "ทฤษฎีของทุกสิ่ง" ที่เสนอซึ่งรวมกลศาสตร์ควอนตัมและสัมพัทธภาพทั่วไปร่วมกันในภาพที่สมบูรณ์แบบ - แบบจำลองอนุภาคระดับประถมศึกษาเป็นเส้นการแกว่ง ("สตริง") แทนที่จะเป็นจุดที่ไม่มีมิติ เพื่อให้คณิตศาสตร์ทำงานทฤษฎีสตริงต้องการให้มี 10 มิติ: เก้าอวกาศและหนึ่งของเวลา จักรวาลของเราดูเหมือนจะมีสามมิติเชิงพื้นที่นักทฤษฎีสตริงพูดเพราะอีกหกคนถูกม้วนงอในชุดเล็ก ๆ ที่ไม่น่าเชื่อที่เรียกว่า Calabi-Yau Manifolds ซึ่งเป็นขนาดจิ๋ว 10^-33 เซนติเมตร
เช่นเดียวกับแง่มุมพื้นฐานอื่น ๆ ของทฤษฎีสตริงไม่มีการทดลองที่เป็นไปได้ที่สามารถตรวจสอบได้ว่ามีอยู่มากมายและทำให้จักรวาลมีโครงสร้างเชิงพื้นที่ 9 มิติจริงๆ และถ้าเป็นเช่นนั้นนักฟิสิกส์สงสัยว่าทำไมสามมิติเหล่านั้นถึงมหาศาลและอีกหกตัวเล็กมาก อย่างไรก็ตามกรอบทฤษฎีสตริงนั้นน่าสนใจเพราะมันอธิบายแง่มุมส่วนใหญ่ของจักรวาลที่เราสังเกตได้อย่างสง่างามตั้งแต่แม่เหล็กไฟฟ้าไปจนถึงแรงโน้มถ่วงจนถึงอุณหพลศาสตร์ของหลุมดำ-
การวิจัยใหม่-โดย Sang-Woo Kim จากมหาวิทยาลัยโอซาก้า, Jun Nishimura ขององค์กรวิจัยเร่งพลังงานสูง (KEK) และ Asato Tsuchiya ของมหาวิทยาลัย Shizuoka-แสดงให้เห็นว่าทฤษฎีสตริงมีความน่าเชื่อถือสำหรับแหล่งกำเนิดของจักรวาลและโครงสร้าง 3 มิติที่ชัดเจน “ เราสามารถดูได้ว่าสามทิศทางเริ่มขยายตัวในบางช่วงเวลา” Nishimura กล่าวความลึกลับเล็ก ๆ น้อย ๆ ของชีวิต- -จักรวาลมีขอบหรือไม่?-
ในการคำนวณนักฟิสิกส์ใช้การปฏิรูปทฤษฎีสตริงที่เรียกว่าแบบจำลอง IIB เมทริกซ์ซึ่งเป็นทฤษฎีในรูปแบบของเมทริกซ์ - กริดสี่เหลี่ยมของการแสดงออกทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายคุณสมบัติของจักรวาล องค์ประกอบของเมทริกซ์สามารถรวมกันทางคณิตศาสตร์เพื่อจำลองวิธีการที่สตริงอาจมีปฏิสัมพันธ์เพื่อสร้างจักรวาลตามที่เห็นในปัจจุบัน
“ ในสูตรโมเดลเมทริกซ์สำหรับทฤษฎี Superstring เมทริกซ์ควรจะเป็นระดับพื้นฐานของอิสรภาพและภาพสตริงจะปรากฏขึ้นเมื่อมีการ จำกัด ขนาดเมทริกซ์ขนาดใหญ่ที่ไม่สิ้นสุด” Nishimura เขียนไว้ในอีเมล เมทริกซ์ขนาดใหญ่อย่างไม่สิ้นสุดนั้นไม่น่าเชื่อนักฟิสิกส์ประมาณโครงสร้างของจักรวาลโดยทำงานกับเมทริกซ์ จำกัด ซึ่งใหญ่ที่สุดซึ่งมี 32 แถวและ 32 คอลัมน์
วิธีการปกติของการคำนวณทฤษฎีสตริงคือการใช้ทฤษฎีการก่อกวนซึ่งการโต้ตอบที่เป็นไปได้ทั้งหมดระหว่างสตริงจะถูกพิจารณาด้วยกันในการคำนวณปฏิสัมพันธ์เดียว แต่สมการที่อธิบายการโต้ตอบของสตริงนั้นซับซ้อนมากจนวิธีนี้ใช้งานได้เฉพาะเมื่อการโต้ตอบที่เป็นไปได้ทั้งหมดระหว่างสตริงนั้นอ่อนแอมาก-การก่อกวนเล็ก ๆ มากกว่าการชนกันของพลังงานสูงและการกระแทกที่จะเกิดขึ้นในจักรวาลยุคแรก ในทางกลับกันเมทริกซ์สามารถจำลองเชิงตัวเลขได้โดยซูเปอร์คอมพิวเตอร์และดังนั้นการปฏิรูปทฤษฎีสตริงเป็นแบบจำลองเมทริกซ์ทำให้นักฟิสิกส์สามารถคำนวณได้ว่าเหตุการณ์จะเกิดขึ้นได้อย่างไรในพลังงานที่สูงมากเช่นช่วงเวลาของบิ๊กแบง “ นี่เป็นไปไม่ได้ด้วยการกำหนดทฤษฎี Superstring แบบดั้งเดิม” Nishimura เขียน
"สิ่งที่เราทำในการจำลองนี้คือการสร้างเมทริกซ์หลายร้อยหรือหลายพันครั้งซึ่งแต่ละครั้งอธิบายประวัติศาสตร์ทั้งหมดของจักรวาลในช่วงเวลาที่ จำกัด บางครั้งเราต้องใช้ค่าเฉลี่ยผ่านเมทริกซ์เพื่อให้ได้ข้อมูลทางกายภาพว่าจักรวาลวิวัฒนาการในเวลา" Nishimura อธิบาย
เมทริกซ์ขนาดใหญ่ที่มีเหลือบของหน้าต่างขนาดใหญ่ในเวลา การจำลองโดยใช้เมทริกซ์ 32 x 32 ซึ่งใหญ่ที่สุดในการทดลองใช้เวลาสองเดือนในการทำซูเปอร์คอมพิวเตอร์และอนุญาตให้นักวิจัยดูวิวัฒนาการของจักรวาลจากบิ๊กแบงจนกระทั่งเริ่มมีอัตราเงินเฟ้อ-ระยะเวลาของการขยายตัวแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล-เพียง 10^-36 วินาทีต่อมา
ผลลัพธ์ที่สำคัญของการทดลองคือทั้งหมดนั้นเองจักรวาลโมเดลเก้ามิติที่เป็นธรรมชาติในสามทิศทางในขณะที่มิติเชิงพื้นที่อีกหกมิติยังคงห่อหุ้มอย่างแน่นหนา เหตุการณ์การทำลายแบบสมมาตรนี้ได้รับการอธิบายโดยแถวและคอลัมน์ที่เปลี่ยนแปลงของตัวแปรในเมทริกซ์; การดำเนินการทางคณิตศาสตร์บนเมทริกซ์สร้างพิกัดของพื้นที่และในแต่ละขั้นตอนพิกัดเพิ่มขึ้นในสามทิศทาง (ในขณะที่ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในอีกหก) สำหรับผู้ที่สามารถตีความพวกเขาได้เมทริกซ์การเปลี่ยนแปลงที่แสดงออกมาในแง่คณิตศาสตร์การเกิดของอวกาศ-เวลา
นักวิจัยกล่าวว่าการทำลายสมมาตรที่เกิดขึ้นเองเป็นผลมาจากความผันผวนของควอนตัม-การละเมิดชั่วขณะในกฎหมายการอนุรักษ์พลังงานซึ่งได้รับอนุญาตจากกฎของกลศาสตร์ควอนตัม "อวกาศ-เวลามีความไม่แน่นอนบางอย่าง ... ตามที่กำหนดโดยความสัมพันธ์ที่ไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กหนึ่งในการค้นพบที่สำคัญของเราคือธรรมชาติควอนตัมของเวลาอวกาศนี้สนับสนุนทิศทางเชิงพื้นที่สามประการมากกว่ากรณีอื่น ๆ
ในการตรวจสอบคำถามนี้และคำถามอื่น ๆ เกี่ยวกับวิวัฒนาการของจักรวาลตามทฤษฎีสตริงนักวิจัยจะต้องตรวจสอบหน้าต่างแห่งเวลาเกินกว่าจุดเริ่มต้นของเงินเฟ้อและเพื่อทำสิ่งนี้พวกเขาจะต้องจำลองเมทริกซ์ที่ใหญ่ขึ้น “ ตอนนี้เรากำลังดำเนินการอยู่” เขากล่าว
การวิจัยใหม่จะมีรายละเอียดในบทความที่กำลังจะมาถึงในวารสาร Letters Review Letters
เรื่องนี้จัดทำโดย Little Mysteries ของ Life ซึ่งเป็นเว็บไซต์น้องสาวที่มีชีวิตอยู่ ติดตาม Natalie Wolchover บน Twitter @ผู้ที่ได้รับการขนานนาม- ติดตามความลึกลับเล็ก ๆ น้อย ๆ ของชีวิตบน Twitter @llmysteriesจากนั้นเข้าร่วมกับเราFacebook-
