Струнная вселенная. Коротко о теории струн

Теория струн — это тонкая нить, соединяющая теорию относительности (или Общую Теорию Относительности — ОТО) и квантовую физику. Обе эти отрасли появились совсем недавно в масштабах науки, поэтому даже научной литературы пока не слишком много по данным отраслям. И, если теория относительности еще имеет под собой какую-то базу, проверенную временем, то квантовый раздел физики в этом плане еще совсем молод. Давайте для начала разберемся в двух этих отраслях.

Наверняка многие из вас слышали про теорию относительности, даже немного знакомы с некоторыми ее постулатами, но вот вопрос: почему ее никак нельзя связать с физикой квантов, которая работает на микроуровне?

Разделяют Общую и Специальную теории относительности (сокращенно ОТО и СТО, далее будут использоваться как сокращения). Говоря кратко, ОТО постулирует о космическом пространстве и его искривлении, а СТО об относительности пространства-времени со стороны человека. Говоря о теории струн, мы затрагиваем конкретно ОТО. Общая Теория Относительности говорит о том, что в космосе под действием массивных объектов пространство искривляется вокруг него (а вместе с ним и время, ведь пространство и время — это совершенно неразделимые понятия). Понять, как это происходит, поможет пример из жизни ученых. Недавно был зафиксирован подобный случай, поэтому все рассказанное можно считать «основанным на реальных событиях». Ученый смотрит в телескоп и видит две звезды: одна находится впереди, а другая позади нее. Как мы смогли это понять? Очень просто, ведь та звезда, центра которой мы не видим, а видны только края — большая из этих двух, а другая звезда, которая видна в полном своем виде, является меньшей. Однако, благодаря ОТО, может быть и такое, что та звезда, которая впереди — больше, чем та, что позади. Но разве такое возможно?

Оказывается да. Если передняя звезда окажется супермассивным объектом, который будет очень сильно искривлять пространство вокруг себя, то изображение той звезды, что находится позади, просто напросто обогнет сверхмассивную звезду по искривлению и мы увидим картинку, о которой говорилось в самом начале. Подробнее вы можете рассмотреть сказанное на рис. 1.

Квантовая физика намного сложнее для обычного человека, нежели ТО. Если обобщить все ее положения, то получится следующее: микрообъекты существуют только тогда, когда мы смотрим на них. Кроме того, физика квантов говорит также о том, что, если разорвать микрочастицу на две части, то эти две части будут продолжать вертеться по своей оси в одном и том же направлении. А также любые воздействия на первую частицу несомненно передадутся и второй, причем мгновенно и совершенно независимо от удаленности этих частиц.

Так в чем же сложность по совмещению понятий двух этих теорий? Дело в том, что ОТО рассматривает объекты в макромире, а когда мы говорим об искажении/искривлении пространства, то мы подразумеваем идеально гладкое пространство, что совершенно не согласуется с положениями микромира. По теории квантовой физики микромир совершенно неровный, имеет вездесущие шероховатости. Это если говорить обыденным языком. А математики и физики вовлекли свои теории в формулы. И вот, когда формулы квантовой физики и ОТО попытались соединить, то в ответе получилась бесконечность. Бесконечность в физике равносильна утверждению, что уравнение построено неправильно. Полученное равенство перепроверяли на много раз, но ответ по-прежнему был бесконечностью.

Теория струн внесла коренные изменения в будничный мир науки. Она представляет собой постановление о том, что все микрочастицы не шарообразной формы, а формы вытянутых струн, которые пронизывают всю нашу вселенную. Такие величины как масса, скорость частиц и прочее устанавливаются колебаниями этих струн. Каждая такая струна по теории находится в многообразии Калаби-Яу. Эти многообразия представляют собой очень искривленное пространство. По теории многообразия ничем не соединены в пространстве и находятся маленькими клубочками по отдельности. Теория струн буквально стирает четкие границы у процесса соединения двух микрочастиц. Когда микрочастицы представлены шарами, то мы четко можем отследить границу в пространстве-времени, когда они соединяются. Однако, если соединяются две струны, то место их «склеивания» можно рассмотреть под разными углами. А под разными углами мы получим совершенно разные результаты границы их соединения, то есть точного понятия такой границы просто нет!

На первом этапе изучения теория струн, рассказанная даже простыми словами кажется загадочной, странной и даже просто вымышленной, но за нее говорят не голословные слова, а исследования, которые по многим уравнениям и параметрам подтверждают вероятность существования частиц-струн.

И, напоследок, еще одно видео, объясняющее теорию струн простым языком от интернет — журнала QWRT.

Теория суперструн, популярным языком, представляет вселенную как совокупность вибрирующих нитей энергии - струн. Они являются основой природы. Гипотеза описывает и другие элементы - браны. Все вещества в нашем мире состоят из колебаний струн и бран. Естественным следствием теории является описание гравитации. Именно поэтому ученые считают, что в ней содержится ключ к объединению силы тяжести с другими взаимодействиями.

Концепция развивается

Теория единого поля, теория суперструн, - сугубо математическая. Как и все физические концепции, она основана на уравнениях, которые могут быть определенным образом интерпретированы.

Сегодня никто не знает точно, каким будет окончательный вариант этой теории. Ученые имеют довольно смутное представление об ее общих элементах, но никто еще не придумал окончательного уравнения, охватившего бы все теории суперструн, а экспериментально до сих пор не удалось ее подтвердить (хотя и опровергнуть тоже). Физики создали упрощенные версии уравнения, но пока что оно не вполне описывает нашу вселенную.

Теория суперструн для начинающих

В основе гипотезы положены пять ключевых идей.

Теория суперструн предсказывает, что все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии.
Она пытается совместить общую теорию относительности (гравитации) с квантовой физикой.
Теория суперструн позволит объединить все фундаментальные силы вселенной.
Эта гипотеза предсказывает новую связь, суперсимметрию, между двумя принципиально различными типами частиц, бозонами и фермионами.
Концепция описывает ряд дополнительных, обычно ненаблюдаемых измерений Вселенной.

Струны и браны

Когда теория возникла в 1970 годы, нити энергии в ней считались 1-мерными объектами - струнами. Слово «одномерный» говорит о том, что струна имеет только 1 измерение, длину, в отличие от, например, квадрата, который имеет длину и высоту.

Эти суперструны теория делит на два вида - замкнутые и открытые. Открытая струна имеет концы, которые не соприкасаются друг с другом, в то время как замкнутая струна является петлей без открытых концов. В итоге было установлено, что эти струны, называемые струнами первого типа, подвержены 5 основным типам взаимодействий.

Взаимодействия основаны на способности струны соединять и разделять свои концы. Поскольку концы открытых струн могут объединиться, чтобы образовывать замкнутые, нельзя построить теорию суперструн, не включающую закольцованные струны.

Это оказалось важным, так как замкнутые струны обладают свойствами, как полагают физики, которые могли бы описать гравитацию. Другими словами, ученые поняли, что теория суперструн вместо объяснения частиц материи может описывать их поведение и силу тяжести.

Через многие годы было обнаружено, что, кроме струн, теории необходимы и другие элементы. Их можно рассматривать как листы, или браны. Струны могут крепиться к их одной или обеим сторонам.

Квантовая гравитация

Современная физика имеет два основных научных закона: общую теорию относительности (ОТО) и квантовую. Они представляют совершенно разные области науки. Квантовая физика изучает мельчайшие природные частицы, а ОТО, как правило, описывает природу в масштабах планет, галактик и вселенной в целом. Гипотезы, которые пытаются объединить их, называются теориями квантовой гравитации. Наиболее перспективной из них сегодня является струнная.

Замкнутые нити соответствуют поведению силы тяжести. В частности, они обладают свойствами гравитона, частицы, переносящей гравитацию между объектами.

Объединение сил

Теория струн пытается объединить четыре силы - электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию - в одну. В нашем мире они проявляют себя как четыре различные явления, но струнные теоретики считают, что в ранней Вселенной, когда были невероятно высокие уровни энергии, все эти силы описываются струнами, взаимодействующими друг с другом.

Суперсимметрия

Все частицы во вселенной можно разделить на два типа: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между ними существует связь, называемая суперсимметрией. При суперсимметрии для каждого бозона должен существовать фермион и для каждого фермиона - бозон. К сожалению, экспериментально существование таких частиц не подтверждено.

Суперсимметрия является математической зависимостью между элементами физических уравнений. Она была обнаружена в другой области физики, а ее применение привело к переименованию в теорию суперсимметричных струн (или теория суперструн, популярным языком) в середине 1970 годов.

Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. Без суперсимметрии уравнения приводят к физическим противоречиям, таким как бесконечные значения и воображаемые

Поскольку ученые не наблюдали частицы, предсказанные суперсимметрией, она все еще является гипотезой. Многие физики считают, что причина этого - необходимость в значительном количестве энергии, которая связана с массой известным уравнением Эйнштейна E = mc 2 . Эти частицы могли существовать в ранней вселенной, но так как она остыла, и после Большого взрыва энергия распространилась, эти частицы перешли на низкоэнергетические уровни.

Другими словами, струны, вибрировавшие как высокоэнергетические частицы, утратили энергию, что превратило их в элементы с более низкой вибрацией.

Ученые надеются, что астрономические наблюдения или эксперименты с ускорителями частиц подтвердят теорию, выявив некоторые из суперсимметричных элементов с более высокой энергией.

Дополнительные измерения

Другим математическим следствием теории струн является то, что она имеет смысл в мире, число измерений которого больше трех. В настоящее время этому существует два объяснения:

Дополнительные измерения (шесть из них) свернулись, или, в терминологии теории струн, компактифицировались до невероятно малых размеров, воспринять которые никогда не удастся.
Мы застряли в 3-мерной бране, а другие измерения простираются вне ее и для нас недоступны.

Важным направлением исследований среди теоретиков является математическое моделирование того, как эти дополнительные координаты могут быть связаны с нашими. Последние результаты предсказывают, что ученые в скором времени смогут обнаружить эти дополнительные измерения (если они существуют) в предстоящих экспериментах, так как они могут быть больше, чем ожидалось ранее.

Понимание цели

Цель, к которой стремятся ученые, исследуя суперструны - «теория всего», т. е. единая физическая гипотеза, которая на фундаментальном уровне описывает всю физическую реальность. В случае успеха она могла бы прояснить многие вопросы строения нашей вселенной.

Объяснение материи и массы

Одна из основных задач современных исследований - поиск решения для реальных частиц.

Теория струн начиналась как концепция, описывающая такие частицы, как адроны, различными высшими колебательными состояниями струны. В большинстве современных формулировок, материя, наблюдаемая в нашей вселенной, является результатом колебаний струн и бран с наименьшей энергией. Вибрации с большей порождают высокоэнергичные частицы, которые в настоящее время в нашем мире не существуют.

Масса этих является проявлением того, как струны и браны завернуты в компактифицированных дополнительных измерениях. Например, в упрощенном случае, когда они свернуты в форме бублика, называемом математиками и физиками тором, струна может обернуть эту форму двумя способами:

короткая петля через середину тора;
длинная петля вокруг всей внешней окружности тора.

Короткая петля будет легкой частицей, а большая - тяжелой. При оборачивании струн вокруг торообразных компактифицированных измерений образуются новые элементы с различными массами.

Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Свернутые измерения здесь гораздо сложнее тора, но в принципе они работают также.

Возможно даже, хотя это трудно представить, что струна оборачивает тор в двух направлениях одновременно, результатом чего будет другая частица с другой массой. Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей.

Определение пространства и времени

Во многих версиях теория суперструн измерения сворачивает, делая их ненаблюдаемыми на современном уровне развития технологии.

В настоящее время не ясно, сможет ли теория струн объяснить фундаментальную природу пространства и времени больше, чем это сделал Эйнштейн. В ней измерения являются фоном для взаимодействия струн и самостоятельного реального смысла не имеют.

Предлагались объяснения, до конца не доработанные, касавшиеся представления пространства-времени как производного общей суммы всех струнных взаимодействий.

Такой подход не отвечает представлениям некоторых физиков, что привело к критике гипотезы. Конкурентная теория в качестве отправной точки использует квантование пространства и времени. Некоторые считают, что в конечном итоге она окажется лишь другим подходом ко все той же базовой гипотезе.

Квантование силы тяжести

Главным достижением данной гипотезы, если она подтвердится, будет квантовая теория гравитации. Текущее описание в ОТО не согласуется с квантовой физикой. Последняя, накладывая ограничения на поведение небольших частиц, при попытке исследовать Вселенную в крайне малых масштабах ведет к возникновению противоречий.

Унификация сил

В настоящее время физикам известны четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнитная, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Из теории струн следует, что все они когда-то являлись проявлениями одной.

Согласно этой гипотезе, так как ранняя вселенная остыла после большого взрыва, это единое взаимодействие стало распадаться на разные, действующие сегодня.

Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединение этих сил, хотя такие опыты находятся далеко за пределами текущего развития технологии.

Пять вариантов

После суперструнной революции 1984 г., разработки велись с лихорадочной быстротой. В итоге вместо одной концепции получилось пять, названных тип I, IIA, IIB, HO, HE, каждая из которых почти полностью описывала наш мир, но не до конца.

Физики, перебирая версии теории струн в надежде найти универсальную истинную формулу, создали 5 разных самодостаточных варианта. Какие-то их свойства отражали физическую реальность мира, другие не соответствовали действительности.

М-теория

На конференции в 1995 году физик Эдвард Виттен предложил смелое решение проблемы пяти гипотез. Основываясь на недавно обнаруженой дуальности, все они стали частными случаями единой всеобъемлющей концепции, названной Виттеном М-теория суперструн. Одним из ключевых ее понятий стали браны (сокращение от мембраны), фундаментальные объекты, обладающие более чем 1 измерением. Хотя автор не предложил полную версию, которой нет до сих пор, М-теория суперструн кратко состоит из таких черт:

11-мерность (10 пространственных плюс 1 временное измерение);
двойственности, которые приводят к пяти теориям, объясняющих ту же физическую реальность;
браны - струны, с более чем 1 измерением.

Следствия

В результате вместо одного возникло 10 500 решений. Для некоторых физиков это стало причиной кризиса, другие же приняли антропный принцип, объясняющий свойства вселенной нашим присутствием в ней. Остается ожидать, когда теоретики найдут другой способ ориентирования в теории суперструн.

Некоторые интерпретации говорят о том, что наш мир не единственный. Наиболее радикальные версии позволяют существование бесконечного числа вселенных, некоторые из которых содержат точные копии нашей.

Теория Эйнштейна предсказывает существование свернутого пространства, которое называют червоточиной или мостом Эйнштейна-Розена. В этом случае два отдаленных участка связаны коротким проходом. Теория суперструн позволяет не только это, но и соединение отдаленных точек параллельных миров. Возможен даже переход между вселенными с разными законами физики. Однако вероятен вариант, когда квантовая теория гравитации сделает их существование невозможным.

Многие физики считают, что голографический принцип, когда вся информация, содержащаяся в объеме пространства, соответствует информации, записанной на его поверхности, позволит глубже понять концепцию энергетических нитей.

Некоторые полагают, что теория суперструн позволяет множественность измерений времени, следствием чего может быть путешествие через них.

Кроме того, в рамках гипотезы существует альтернатива модели большого взрыва, согласно которой наша вселенная появилась в результате столкновения двух бран и проходит через повторяющиеся циклы создания и разрушения.

Конечная судьба мироздания всегда занимала физиков, и окончательная версия теории струн поможет определить плотность материи и космологическую константу. Зная эти значения, космологи смогут установить, будет ли вселенная сжиматься до тех пор, пока не взорвется, чтобы все началось снова.

Никто не знает, к чему может привести пока она не будет разработана и проверена. Эйнштейн, записав уравнение E=mc 2 , не предполагал, что оно приведет к появлению ядерного оружия. Создатели квантовой физики не знали, что она станет основой для создания лазера и транзистора. И хотя сейчас еще не известно, к чему приведет такая сугубо теоретическая концепция, история свидетельствует о том, что наверняка получится что-то выдающееся.

Подробнее об этой гипотезе можно прочесть в книге Эндрю Циммермана «Теория суперструн для чайников».

Красивым поэтическим словосочетанием «теория струн» названо одно из направлений в теоретической физики, объединяющее в себе идеи теории относительности и квантовую механику. Данное направление физики занимается изучением квантовых струн – то есть одномерных протяженных объектов. В этом состоит его основное отличие от множества других разделов физики, в которых изучается динамика точечных частиц.

В своей основе Теория струн отрицает и утверждает, что Вселенная существовала всегда. То есть, Вселенная представляла собой не бесконечно малую точку, а струну с бесконечно малой длиной, при этом теория струн гласит о том, что мы живем в десятимерном пространстве, хотя ощущаем всего лишь 3-4. Остальные существуют в свернутом состоянии, и если вы решили задать вопрос: «Когда же они будут разворачиваться, и произойдет ли это вообще когда-нибудь?», то ответа вы не получите.

Математика его попросту не нашла – струнную теорию невозможно доказать опытным путем. Правда, были попытки разработать универсальную теорию, чтобы можно было проверять ее практически. Но чтобы это случилось, ее нужно сделать настолько упрощенной, чтобы она доходила до нашего уровня восприятия реальности. Тогда идея проверки полностью лишается смысла.

Основные критерии и понятия теории струн

Теория относительности говорит о том, что наша Вселенная – это плоскость, а квантовая механика заявляет, что на микроуровне происходит бесконечное движение, из-за которого искривляется пространство. А теория струн пытается соединить эти два предположения, и в соответствии с ней, элементарные частицы представляются в виде специальных компонентов в составе каждого атома – оригинальных струн, являющихся своеобразными ультрамикроскопическими волокнами. Элементарные частицы при этом обладают свойствами, которые объясняет резонансное колебание образующих эти частицы волокон. Подобными типами волокон осуществляются вибрации в бесконечном количестве.

Для более точного понимания сути, простой обыватель может представить себе струны обычных музыкальных инструментов, которые могут в разное время натягиваться, успешно сворачиваться, постоянно вибрировать. Такими же свойствами обладают нити, взаимодействующие друг с другом при определенных вибрациях.

Сворачиваясь в стандартные петли, нити образуют более крупные разновидности частиц – кварки, электроны, чья масса уже будет напрямую зависеть от уровня натянутости и частоты вибрации волокон. Так что энергию струн соотносят именно с этими критериями. Масса элементарных частиц будет выше при большем количестве излучаемой энергии.

Насущные проблемы теории струн

При изучении теории струн ученые многих стран периодически сталкивались с целым рядом проблем и нерешаемых вопросов. Самым важным моментом можно считать недостаток математических формул, поэтому придать теории завершенный вид специалистам пока не удается.

Второй существенной проблемой является подтверждение сутью теории наличия 10-ти измерений, когда на самом деле ощутить мы можем всего 4 из них. Предположительно остальные 6 из них существуют в скрученном состоянии, и в реальном времени ощутить их не представляется возможным. Поэтому, хотя опровержение теории в корне невозможно, экспериментальное подтверждение пока тоже представляется довольно затруднительным.

При этом исследование теории струн стало явным толчком для развития оригинальных математических конструкций, а также топологии. Физика с ее теоретическими направлениями довольно прочно укоренилась в математике также с помощью изучаемой теории. Более того, сущность современной квантовой гравитации и материи смогли досконально понять, начав изучать гораздо глубже, чем было возможно до этого.

Поэтому исследования теории струн продолжаются непрерывно, а результатом многочисленных экспериментов, включая испытания на Большом адронном коллайдере, могут стать недостающие понятия и элементы. В этом случае физическая теория будет абсолютно доказанным и общепринятым явлением.

Приходила ли вам в голову мысль, что Вселенная похожа на виолончель? Правильно – не приходила. Потому что Вселенная не похожа на виолончель. Но это не означает, что у нее нет струн. Конечно, струны мироздания едва ли похожи на те, которые мы себе представляем. В теории струн ими называются невероятно малые вибрирующие нити энергии. Эти нити похожи, скорее, на крошечные «резинки», способные извиваться, растягиваться и сжиматься на все лады. Все это, однако, не означает, что на них нельзя «сыграть» симфонию Вселенной, ведь из этих «нитей», по мнению струнных теоретиков, состоит все сущее.

©depositphotos.com

Противоречие физики

Во второй половине XIX века физикам казалось, что ничего серьезного в их науке открыть больше нельзя. Классическая физика считала, что серьезных проблем в ней не осталось, а все устройство мира выглядело идеально отлаженной и предсказуемой машиной. Беда, как и водится, случилась из-за ерунды – одного из мелких «облачков», еще остававшихся на чистом, понятном небе науки. А именно – при расчете энергии излучения абсолютно черного тела (гипотетическое тело, которое при любой температуре полностью поглощает падающее на него излучение, независимо от длины волны). Расчеты показывали, что общая энергия излучения любого абсолютно черного тела должна быть бесконечно большой. Чтобы уйти от столь явного абсурда, немецкий ученый Макс Планк в 1900 году предположил, что видимый свет, рентгеновские лучи и другие электромагнитные волны могут испускаться только некоторыми дискретными порциями энергии, которые он назвал квантами. С их помощью удалось решить частную проблему абсолютно черного тела. Однако последствия квантовой гипотезы для детерминизма тогда еще не осознавались. Пока в 1926 году другой немецкий ученый, Вернер Гейзенберг, не сформулировал знаменитый принцип неопределенности.

Суть его сводится к тому, что вопреки всем господствующим до того утверждениям, природа ограничивает нашу способность предсказывать будущее на основе физических законов. Речь, конечно, идет о будущем и настоящем субатомных частиц. Выяснилось, что они ведут себя совершенно не так, как это делают любые вещи в окружающем нас макромире. На субатомном уровне ткань пространства становится неровной и хаотичной. Мир крошечных частиц настолько бурный и непонятный, что это противоречит здравому смыслу. Пространство и время в нем настолько искривлены и переплетены, что там нет обычных понятий левого и правого, верха и низа, и даже до и после. Не существует способа сказать наверняка, в какой именно точке пространства находится в данный момент та или иная частица, и каков при этом момент ее импульса. Существует лишь некая вероятность нахождения частицы во множестве областей пространства-времени. Частицы на субатомном уровне словно «размазаны» по пространству. Мало этого, не определен и сам «статус» частиц: в одних случаях они ведут себя как волны, в других – проявляют свойства частиц. Это то, что физики называют корпускулярно-волновым дуализмом квантовой механики.

Уровни строения мира: 1. Макроскопический уровень – вещество
2. Молекулярный уровень 3. Атомный уровень – протоны, нейтроны и электроны
4. Субатомный уровень – электрон 5. Субатомный уровень – кварки 6. Струнный уровень
©Bruno P. Ramos

В Общей теории относительности, словно в государстве с противоположными законами, дело обстоит принципиально иначе. Пространство представляется похожим на батут – гладкую ткань, которую могут изгибать и растягивать объекты, обладающие массой. Они создают деформации пространства-времени – то, что мы ощущаем как гравитацию. Стоит ли говорить, что стройная, правильная и предсказуемая Общая теория относительности находится в неразрешимом конфликте с «взбалмошной хулиганкой» – квантовой механикой, и, как следствие, макромир не может «помириться» с микромиром. Вот тут на помощь и приходит теория струн.

©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

Теория Всего

Теория струн воплощает мечту всех физиков по объединению двух, в корне противоречащих друг другу ОТО и квантовой механики, мечту, которая до конца дней не давала покоя величайшему «цыгану и бродяге» Альберту Эйнштейну.

Многие ученые уверены, что всё, от изысканного танца галактик до безумной пляски субатомных частиц, может в итоге объясняться всего одним фундаментальным физическим принципом. Может быть – даже единым законом, который объединяет все виды энергии, частиц и взаимодействий в какой-нибудь элегантной формуле.

ОТО описывает одну из самых известных сил Вселенной – гравитацию. Квантовая механика описывает три других силы: сильное ядерное взаимодействие, которое склеивает протоны и нейтроны в атомах, электромагнетизм и слабое взаимодействие, которое участвует в радиоактивном распаде. Любое событие в мироздании, от ионизации атома до рождения звезды, описывается взаимодействиями материи посредством этих четырех сил. С помощью сложнейшей математики удалось показать, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют общую природу, объединив их в единое электрослабое. Впоследствии к ним добавилось и сильное ядерное взаимодействие – но вот гравитация к ним не присоединяется никак. Теория струн – одна из самых серьезных кандидаток на то, чтобы соединить все четыре силы, а, значит, объять все явления во Вселенной – недаром ее еще называют «Теорией Всего».

©Wikimedia Commons

Вначале был миф

До сих пор далеко не все физики пребывают в восторге от теории струн. А на заре ее появления она и вовсе казалась бесконечно далекой от реальности. Само ее рождение – легенда.

В конце 1960-х годов молодой итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано искал уравнения, которые смогли бы объяснить сильные ядерные взаимодействия – чрезвычайно мощный «клей», который скрепляет ядра атомов, связывая воедино протоны и нейтроны. Согласно легенде, как-то он случайно наткнулся на пыльную книгу по истории математики, в которой нашел уравнение двухсотлетней давности, впервые записанное швейцарским математиком Леонардом Эйлером. Каково же было удивление Венециано, когда он обнаружил, что уравнение Эйлера, которое долгое время считали ничем иным, как математической диковинкой, описывает это сильное взаимодействие.

Как же было на самом деле? Уравнение, вероятно, стало результатом долгих лет работы Венециано, а случай лишь помог сделать первый шаг к открытию теории струн. Уравнение Эйлера, чудесным образом объяснившее сильное взаимодействие, обрело новую жизнь.

В конце концов, оно попалось на глаза молодому американскому физику-теоретику Леонарду Сасскинду, который увидел, что в первую очередь формула описывала частицы, которые не имели внутренней структуры и могли вибрировать. Эти частицы вели себя так, что не могли быть просто точечными частицами. Сасскинд понял – формула описывает нить, которая подобна упругой резинке. Она могла не только растягиваться и сжиматься, но и колебаться, извиваться. Описав свое открытие, Сасскинд представил революционную идею струн.

К сожалению, подавляющее большинство его коллег встретили теорию весьма прохладно.

Стандартная модель

В то время общепринятая наука представляла частицы точками, а не струнами. В течение многих лет физики исследовали поведение субатомных частиц, сталкивая их на высоких скоростях и изучая последствия этих столкновений. Выяснилось, что Вселенная намного богаче, чем это можно было себе представить. Это был настоящий «демографический взрыв» элементарных частиц. Аспиранты физических вузов бегали по коридорам с криками, что открыли новую частицу, – не хватало даже букв для их обозначения.

Но, увы, в «родильном доме» новых частиц ученые так и не смогли отыскать ответ на вопрос – зачем их так много и откуда они берутся?

Это подтолкнуло физиков к необычному и потрясающему предсказанию – они поняли, что силы, действующие в природе, также можно объяснить с помощью частиц. То есть существуют частицы материи, а есть частицы-переносчики взаимодействий. Таковым, например, является фотон – частица света. Чем больше этих частиц-переносчиков – тех же фотонов, которыми обмениваются частицы материи, тем ярче свет. Ученые предсказывали, что именно этот обмен частицами-переносчиками – есть не что иное, как то, что мы воспринимаем как силу. Это подтвердилось экспериментами. Так физикам удалось приблизиться к мечте Эйнштейна по объединению сил.

©Wikimedia Commons

Ученые считают, что если мы перенесемся к моменту сразу после Большого взрыва, когда Вселенная была на триллионы градусов горячее, частицы-переносчики электромагнетизма и слабого взаимодействия станут неразличимы и объединятся в одну-единственную силу, называемую электрослабой. А если вернуться во времени еще дальше, то электрослабое взаимодействие соединилось бы с сильным в одну суммарную «суперсилу».

Несмотря на то, что все это еще ждет своих доказательств, квантовая механика вдруг объяснила, как три из четырех сил взаимодействуют на субатомном уровне. Причем объяснила красиво и непротиворечиво. Эта стройная картина взаимодействий, в конечном счете, получила название Стандартной модели. Но, увы, и в этой совершенной теории была одна большая проблема – она не включала в себя самую известную силу макроуровня – гравитацию.

©Wikimedia Commons

Гравитон

Для не успевшей «расцвести» теории струн наступила «осень», уж слишком много проблем она содержала с самого рождения. Например, выкладки теории предсказали существование частиц, которых, как точно установили вскоре, не существует. Это так называемый тахион – частица, которая движется в вакууме быстрее света. Помимо прочего выяснилось, что теория требует целых 10 измерений. Неудивительно, что это очень смущало физиков, ведь это очевидно больше, чем то, что мы видим.

К 1973 году только несколько молодых физиков все еще боролись с загадочными выкладками теории струн. Одним из них был американский физик-теоретик Джон Шварц. В течение четырех лет Шварц пытался приручить непослушные уравнения, но без толку. Помимо других проблем, одно из этих уравнений упорно описывало таинственную частицу, которая не имела массы и не наблюдалась в природе.

Ученый уже решил забросить свое гиблое дело, и тут его осенило – может быть, уравнения теории струн описывают, в том числе, и гравитацию? Впрочем, это подразумевало пересмотр размеров главных «героев» теории – струн. Предположив, что струны в миллиарды и миллиарды раз меньше атома, «струнщики» превратили недостаток теории в ее достоинство. Таинственная частица, от которой Джон Шварц так настойчиво пытался избавиться, теперь выступала в качестве гравитона – частицы, которую долго искали и которая позволила бы перенести гравитацию на квантовый уровень. Именно так теория струн дополнила пазл гравитацией, отсутствующей в Стандартной модели. Но, увы, даже на это открытие научное сообщество никак не отреагировало. Теория струн оставалась на грани выживания. Но Шварца это не остановило. Присоединиться к его поискам захотел только один ученый, готовый рискнуть своей карьерой ради таинственных струн – Майкл Грин.

Какие есть основания думать, что гравитация подчиняется законам квантовой механики? За открытие этих «оснований» в 2011 году была вручена Нобелевская премия по физике. Состояло оно в том, что расширение Вселенной не замедляется, как думали когда-то, а, наоборот, ускоряется. Объясняют это ускорение действием особой «антигравитации», которая каким-то образом свойственна пустому пространству космического вакуума. С другой стороны, на квантовом уровне ничего абсолютно «пустого» быть не может – в вакууме постоянно возникают и тут же исчезают субатомные частицы. Такое «мелькание» частиц, как полагают, и ответственно за существование «антигравитационной» темной энергии, которая наполняет пустое пространство.

В свое время именно Альберт Эйнштейн, до конца жизни так и не принявший парадоксальные принципы квантовой механики (которую он сам и предсказал), предположил существование этой формы энергии. Следуя традициям классической греческой философии Аристотеля с ее верой в вечность мира, Эйнштейн отказывался поверить в то, что предсказывала его собственная теория, а именно то, что Вселенная имеет начало. Чтобы «увековечить» мироздание, Эйнштейн даже ввел в свою теорию некую космологическую постоянную, и таким образом описал энергию пустого пространства. К счастью, через несколько лет выяснилось, что Вселенная – вовсе не застывшая форма, что она расширяется. Тогда Эйнштейн отказался от космологической постоянной, назвав ее «величайшим просчетом в своей жизни».

Сегодня науке известно – темная энергия все-таки существует, хотя плотность ее намного меньше той, что предполагал Эйнштейн (проблема плотности темной энергии, кстати, – одна из величайших загадок современной физики). Но как бы ни была мала величина космологической постоянной, ее вполне достаточно для того, чтобы убедиться в том, что квантовые эффекты в гравитации существуют.

Субатомные матрешки

Несмотря ни на что, в начале 1980‑х годов теория струн все еще имела неразрешимые противоречия, называемые в науке аномалиями. Шварц и Грин принялись за их устранение. И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Каково же было изумление этих двоих, уже привыкших к тому, что их теорию пропускают мимо ушей, когда реакция ученого сообщества взорвала научный мир. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек. Именно тогда теорию струн наградили титулом Теории Всего. Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания. И вот эти составляющие.

Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц – электронов, которые кружатся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц – кварков. Но теория струн утверждает, что на кварках дело не заканчивается. Кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны. Каждая из таких струн невообразимо мала. Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров Солнечной системы, струна была бы размером с дерево. Так же, как различные колебания струны виолончели создают то, что мы слышим, как разные музыкальные ноты, различные способы (моды) вибрации струны придают частицам их уникальные свойства – массу, заряд и прочее. Знаете, чем, условно говоря, отличаются протоны в кончике вашего ногтя от пока не открытого гравитона? Только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются.

Конечно, все это более чем удивительно. Еще со времен Древней Греции физики привыкли к тому, что все в этом мире состоит из чего-то вроде шаров, крошечных частиц. И вот, не успев привыкнуть к алогичному поведению этих шаров, вытекающему из квантовой механики, им предлагается вовсе оставить парадигму и оперировать какими-то обрезками спагетти…

Пятое измерение

Хотя многие ученые называют теорию струн триумфом математики, некоторые проблемы у нее все же остаются – прежде всего, отсутствие какой-либо возможности в ближайшее время проверить ее экспериментально. Ни один инструмент в мире, ни существующий, ни способный появиться в перспективе, «увидеть» струны неспособен. Поэтому некоторые ученые, кстати, даже задаются вопросом: теория струн – это теория физики или философии?.. Правда, видеть струны «воочию» вовсе не обязательно. Для доказательства теории струн требуется, скорее, другое – то, что звучит как научная фантастика – подтверждение существования дополнительных измерений пространства.

О чем идет речь? Все мы привыкли к трем измерениям пространства и одному – времени. Но теория струн предсказывает наличие и других – дополнительных – измерений. Но начнем по порядку.

На самом деле, идея о существовании других измерений возникла почти сто лет назад. Пришла она в голову никому не известному тогда немецкому математику Теодору Калуца в 1919 году. Он предположил возможность наличия в нашей Вселенной еще одного измерения, которое мы не видим. Об этой идее узнал Альберт Эйнштейн, и сначала она ему очень понравилась. Позже, однако, он засомневался в ее правильности, и задержал публикацию Калуцы на целых два года. В конечном счете, правда, статья все-таки была опубликована, а дополнительное измерение стало своеобразным увлечением гения физики.

Как известно, Эйнштейн показал, что гравитация есть не что иное, как деформация измерений пространства-времени. Калуца предположил, что электромагнетизм тоже может быть рябью. Почему же мы ее не наблюдаем? Калуца нашел ответ на этот вопрос – рябь электромагнетизма может существовать в дополнительном, скрытом измерении. Но где оно?

Ответ на этот вопрос дал шведский физик Оскар Клейн, который предположил, что пятое измерение Калуцы свернуто в миллиарды раз сильнее, чем размеры одного атома, поэтому мы и не можем его видеть. Идея о существовании этого крошечного измерения, которое находится повсюду вокруг нас, и лежит в основе теории струн.

Внутри каждой из таких форм вибрирует и движется струна – основной компонент Вселенной.
Каждая форма шестимерна – по числу шести дополнительных измерений
©Wikimedia Commons

Десять измерений

Но на самом деле уравнения теории струн требуют даже не одного, а шести дополнительных измерений (итого, с известными нам четырьмя, их получается ровно 10). Все они имеют очень закрученную и искривленную сложную форму. И все – невообразимо малы.

Каким же образом эти крошечные измерения могут оказывать влияние на наш большой мир? Согласно теории струн, решающее: для нее все определяет форма. Когда на саксофоне вы нажимаете разные клавиши, вы получаете и разные звуки. Это происходит потому, что при нажатии той или иной клавиши или их комбинации, вы меняете форму пространства в музыкальном инструменте, где циркулирует воздух. Благодаря этому и рождаются разные звуки.

Теория струн полагает, что дополнительные искривленные и закрученные измерения пространства проявляются похожим образом. Формы этих дополнительных измерений сложны и разнообразны, и каждое заставляет вибрировать струну, находящуюся внутри таких измерений, по-разному именно благодаря своим формам. Ведь если предположить, например, что одна струна вибрирует внутри кувшина, а другая – внутри изогнутого почтового рожка, это будут совершенно разные вибрации. Впрочем, если верить теории струн, на деле формы дополнительных измерений выглядят куда сложнее кувшина.

Как устроен мир

Науке сегодня известен набор чисел, которые являются фундаментальными постоянными Вселенной. Именно они определяют свойства и характеристики всего вокруг нас. Среди таких констант, например, заряд электрона, гравитационная постоянная, скорость света в вакууме… И если мы изменим эти числа даже в незначительное число раз – последствия будут катастрофическими. Предположим, мы увеличили силу электромагнитного взаимодействия. Что же произошло? Мы можем вдруг обнаружить, что ионы стали сильнее отталкиваться друг от друга, и термоядерный синтез, который заставляет звезды светить и излучать тепло, вдруг дал сбой. Все звезды погаснут.

Но причем здесь теория струн с ее дополнительными измерениями? Дело в том, что, согласно ей, именно дополнительные измерения определяют точное значение фундаментальных констант. Одни формы измерений заставляют одну струну вибрировать определенным образом, и порождают то, что мы видим, как фотон. В других формах струны вибрируют по-другому, и порождают электрон. Воистину бог кроется в «мелочах» – именно эти крошечные формы определяют все основополагающие константы этого мира.

Теория суперструн

В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. Всего за несколько лет возникло целых пять версий теории струн. И хотя каждая из них построена на струнах и дополнительных измерениях (все пять версий объединены в общую теорию суперструн), в деталях эти версии расходились значительно.

Так, в одних версиях струны имели открытые концы, в других – напоминали кольца. А в некоторых вариантах теория даже требовала не 10, а целых 26 измерений. Парадокс в том, что все пять версий на сегодняшний день можно назвать одинаково верными. Но какая из них действительно описывает нашу Вселенную? Это очередная загадка теории струн. Именно поэтому многие физики снова махнули рукой на «сумасбродную» теорию.

Но самая главная проблема струн, как уже было сказано, в невозможности (по крайней мере, пока) доказать их наличие экспериментальным путем.

Некоторые ученые, однако, все же поговаривают, что на следующем поколении ускорителей есть очень минимальная, но все же возможность проверить гипотезу о дополнительных измерениях. Хотя большинство, конечно, уверено, что если это и возможно, то произойти это, увы, должно еще очень нескоро – как минимум через десятилетия, как максимум – даже через сотню лет.

Конечно, струны мироздания едва ли похожи на те, которые мы себе представляем. В теории струн ими называются невероятно малые вибрирующие нити энергии. Эти нити похожи, скорее, на крошечные «резинки», способные извиваться, растягиваться и сжиматься на все лады. Все это, однако, не означает, что на них нельзя «сыграть» симфонию Вселенной, ведь из этих «нитей», по мнению струнных теоретиков, состоит все сущее.

Противоречие физики

Расчеты показывали, что общая энергия излучения любого абсолютно черного тела должна быть бесконечно большой. Чтобы уйти от столь явного абсурда, немецкий ученый Макс Планк в 1900 году предположил, что видимый свет, рентгеновские лучи и другие электромагнитные волны могут испускаться только некоторыми дискретными порциями энергии, которые он назвал квантами. С их помощью удалось решить частную проблему абсолютно черного тела. Однако последствия квантовой гипотезы для детерминизма тогда еще не осознавались. Пока в 1926 году другой немецкий ученый, Вернер Гейзенберг, не сформулировал знаменитый принцип неопределенности.

Не существует способа сказать наверняка, в какой именно точке пространства находится в данный момент та или иная частица, и каков при этом момент ее импульса. Существует лишь некая вероятность нахождения частицы во множестве областей пространства-времени. Частицы на субатомном уровне словно «размазаны» по пространству. Мало этого, не определен и сам «статус» частиц: в одних случаях они ведут себя как волны, в других – проявляют свойства частиц. Это то, что физики называют корпускулярно-волновым дуализмом квантовой механики.

Уровни строения мира: 1. Макроскопический уровень – вещество 2. Молекулярный уровень 3. Атомный уровень – протоны, нейтроны и электроны 4. Субатомный уровень – электрон 5. Субатомный уровень – кварки 6. Струнный уровень

2D-Вселенная. Граф полиэдра E8 Теория Всего

С помощью сложнейшей математики удалось показать, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют общую природу, объединив их в единое электрослабое. Впоследствии к ним добавилось и сильное ядерное взаимодействие – но вот гравитация к ним не присоединяется никак. Теория струн – одна из самых серьезных кандидаток на то, чтобы соединить все четыре силы, а, значит, объять все явления во Вселенной – недаром ее еще называют «Теорией Всего».

Вначале был миф

График бета-функции Эйлера при вещественных аргументах

В конце 1960-х годов молодой итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано искал уравнения, которые смогли бы объяснить сильные ядерные взаимодействия – чрезвычайно мощный «клей», который скрепляет ядра атомов, связывая воедино протоны и нейтроны. Согласно легенде, как-то он случайно наткнулся на пыльную книгу по истории математики, в которой нашел функцию двухсотлетней давности, впервые записанную швейцарским математиком Леонардом Эйлером. Каково же было удивление Венециано, когда он обнаружил, что функция Эйлера, которую долгое время считали ничем иным, как математической диковинкой, описывает это сильное взаимодействие.

Как же было на самом деле? Формула, вероятно, стала результатом долгих лет работы Венециано, а случай лишь помог сделать первый шаг к открытию теории струн. Функция Эйлера, чудесным образом объяснившая сильное взаимодействие, обрела новую жизнь.

В конце концов, она попалось на глаза молодому американскому физику-теоретику Леонарду Сасскинду, который увидел, что в первую очередь формула описывала частицы, которые не имели внутренней структуры и могли вибрировать. Эти частицы вели себя так, что не могли быть просто точечными частицами. Сасскинд понял – формула описывает нить, которая подобна упругой резинке. Она могла не только растягиваться и сжиматься, но и колебаться, извиваться. Описав свое открытие, Сасскинд представил революционную идею струн.

К сожалению, подавляющее большинство его коллег встретили теорию весьма прохладно.

Стандартная модель

Взаимодействия между различными частицами в Стандартной модели
Гравитон

Субатомные матрешки

Несмотря ни на что, в начале 1980?х годов теория струн все еще имела неразрешимые противоречия, называемые в науке аномалиями. Шварц и Грин принялись за их устранение. И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Каково же было изумление этих двоих, уже привыкших к тому, что их теорию пропускают мимо ушей, когда реакция ученого сообщества взорвала научный мир. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек. Именно тогда теорию струн наградили титулом Теории Всего. Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания. И вот эти составляющие.

Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров Солнечной системы, струна была бы размером с дерево. Так же, как различные колебания струны виолончели создают то, что мы слышим, как разные музыкальные ноты, различные способы (моды) вибрации струны придают частицам их уникальные свойства – массу, заряд и прочее. Знаете, чем, условно говоря, отличаются протоны в кончике вашего ногтя от пока не открытого гравитона? Только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются.

Пятое измерение

Одна из предполагаемых форм дополнительных закрученных измерений. Внутри каждой из таких форм вибрирует и движется струна – основной компонент Вселенной. Каждая форма шестимерна – по числу шести дополнительных измерений

Десять измерений

Как устроен мир

Науке сегодня известен набор чисел, которые являются фундаментальными постоянными Вселенной. Именно они определяют свойства и характеристики всего вокруг нас. Среди таких констант, например, заряд электрона, гравитационная постоянная, скорость света в вакууме... И если мы изменим эти числа даже в незначительное число раз – последствия будут катастрофическими. Предположим, мы увеличили силу электромагнитного взаимодействия. Что же произошло? Мы можем вдруг обнаружить, что ионы стали сильнее отталкиваться друг от друга, и термоядерный синтез, который заставляет звезды светить и излучать тепло, вдруг дал сбой. Все звезды погаснут.

Теория суперструн

В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. Всего за несколько лет возникло целых пять версий теории струн. И хотя каждая из них построена на струнах и дополнительных измерениях (все пять версий объединены в общую теорию суперструн – NS), в деталях эти версии расходились значительно.