Теория струн. Виктор Асенин
«Теория суперструн замечательна тем, что создает прекрасную картину звучащей Вселенной, основанной на принципе музыкальной гармонии».
Майкл Грин
«В ближайшем будущем физика может вернуться к пифагорейской идее мировых гармоний. Но, разумеется, на новом уровне».
Алексей Левин
Теория струн объясняет все физические процессы. Например, как появилась Вселенная, из чего состоят вещи. Но эту теорию нельзя доказать на практике.
Современная физика покоится на двух столпах. Первый из них – это общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Она объясняет, как устроены звезды, галактики и Вселенная.
Квантовая механика – это второй столп.
Эта теория объясняет, как устроен микромир: молекулы, атомы, электроны, кварки (простейшие неделимые частицы). Обе теории подтверждены опытами.
Но общая теория относительности и квантовая механика, не могут быть справедливы одновременно. Согласно теории Эйнштейна, пространство является плоским.
Такая структура пространства сохраняется даже в самом малом масштабе. Однако, согласно квантовой механике, на микроскопическом уровне постоянно происходит хаотичное движение частиц, которое искривляет пространство (представьте себе поверхность воды, которая начинает бурлить). Причем чем меньше масштаб, тем интенсивнее движения (квантовые флуктуации). То есть квантовая механика противоречит теории относительности. Эту проблему решили во второй половине XX века физики-теоретики. Они разработали единую теорию, с помощью которой можно было бы объяснить все физические процессы.
Теория XXI века
В 1968 году молодой итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано пытался
описать, как взаимодействуют между собой частицы атомного ядра: протоны и нейтроны. У ученого появилась блестящая догадка. Он понял, что все многочисленные свойства частиц в атоме может описать одна математическая формула (бета-функция Эйлера). Она была придумана двести лет назад швейцарским математиком Леонардом Эйлером и описывала интегралы в математическом анализе.
Венециано использовал ее в своих расчетах, но не понимал, почему она работает в этой области физики. Физический смысл формулы смогли раскрыть в 1970 году американские ученые Йоиширо Намбу, Леонард Сасскинд, а также их датский коллега Хольгер Нильсен.
Они предположили, что элементарные частицы – маленькие колеблющиеся одномерные струны, микроскопические нити энергии. Если эти струны являются такими крохотными, рассуждали исследователи, то они по-прежнему будут выглядеть как точечные частицы и, следовательно, не будут влиять на результаты экспериментов. Так и появилась теория струн.
Струны – это самые маленькие объекты во Вселенной. Их длина равна 10~35 м. Согласно теории струн, это минимальная длина, которую может иметь объект во Вселенной.
Струны настолько малы, что даже если их можно было бы увидеть с помощью самого мощного ускорителя частиц, то они выглядели бы точечными объектами. Если кварк можно представить себе как крохотный шарик, то струна напоминает крохотную тонкую ниточку. Поделив точечные кварки на струны, физики устранили противоречие между квантовой механикой и теорией относительности.
По свойствам струна напоминает струну скрипки. Она может сворачиваться, изгибаться, вибрировать. Струны взаимодействуют между собой, образуя петли. Из этих петель возникают более крупные частицы (кварки, электроны). Масса этих частиц зависит от энергии, выделяемой петлей, когда та вибрирует. Чем больше энергии, тем больше масса частицы. Энергия зависит от того, как быстро колеблется петля, и от того, как сильно натянута струна. Чем интенсивней вибрирует петля, тем больше энергии она выделяет и тем больше масса элементарной частицы.
Сильно натянутая струна выделяет больше энергии, чем слабо натянутая. Следовательно, частица, созданная сильно натянутой струной, по массе будет больше частицы, возникшей из слабо натянутой. Длина петли, образованной струной, примерно в сто миллиардов миллиардов раз меньше размера атомного ядра. Поэтому современные эксперименты не могут подтвердить струнную природу материи. Чтобы доказать, что струны существуют, физикам потребуется мощный ускоритель. Необходимо, чтобы он мог сталкивать частицы с энергией, в несколько миллионов миллиардов раз превышающей максимальный уровень, достигнутый на сегодняшний день. <…> Возможно, эксперименты, проведенные на новом ускорителе, смогут подтвердить, что струны существуют на самом де
Теория без доказательства
В 2003 году «струнные» физики выяснили, что существует множество способов свернуть многомерные пространства и сделать их невидимыми для человеческого глаза. Чтобы получить из десятимерного четырехмерное пространство, «лишние» измерения можно скрутить в сферы, баранки или в так называемое пространство Калаби-Яу. Сама теория струн не объясняет, как правильно и каким способом надо скручивать дополнительные измерения. Но каждый из вариантов скручивания десятимерной теории порождает свой четырехмерный мир. Этот мир может быть похож на наш, но может и отличаться. В настоящее время «струнные» физики считают, что число способов скручивания измерений огромно - как минимум 10100. Но ученые не исключают, что таких вариантов вообще может быть бесконечно много. Получается следующая картина. Каков бы ни был наш мир, всегда найдется способ свести его к миру, который был бы согласован со струнной теорией. Таким образом, теория струн не только не противоречит современным экспериментам, но и не будет противоречить никакому опыту в обозримом будущем. Это означает, что теорию струн нельзя будет опровергнуть.
Струны в космосе
Теория струн по-новому объясняет, как произошла наша Вселенная. Согласно доминирующей сегодня теории (Стандартной космологической модели), Вселенная образовалась в результате космического взрыва (Большого взрыва). Это произошло около 15 миллиардов лет назад. Но даже сегодня продолжают разлетаться «осколки» этого взрыва, представляющие собой миллиарды галактик.
Вселенная расширяется. Однако ученые не знают, будет ли она расширяться всегда или в какой-то момент она начнет опять сжиматься, что впоследствии вновь приведет к мощному космическому взрыву. Если бы мы смогли просмотреть космическую историю в обратном порядке, то увидели бы, как все галактики проваливались в черную дыру и сжимались в единственную бесконечно малую точку. Физики называют эту точку сингулярностью. В тот момент, когда вся Вселенная сжалась в сингулярность, наша космическая история закончилась бы.
«Струнные» физики утверждают, что Большой взрыв был не моментом, когда возникла Вселенная, а просто переходной стадией. Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда.
В отдаленном прошлом она была почти пуста. К моменту Большого взрыва Вселенная могла пройти несколько циклов гибели и возрождения (расширения и сжатия). До Большого взрыва такие силы, как гравитация (притяжение), были слабы. Они постепенно росли, и материя начала сжиматься. Но, согласно теории струн, она сжималась не до бесконечно малой точки, а до крохотной длины струны. В некоторых областях Вселенной плотность возросла настолько, что начали формироваться черные дыры. Дыры разрастались, ускоряясь. Они стягивали материю все плотнее и плотнее. Когда материя стала такой плотной, что не могла больше сжиматься, произошел Большой взрыв. Дальнейший сценарий развития нашей Вселенной у «струнных» физиков не отличается от Стандартной космологической модели.
Взгляд в будущее
У теории струн существуют две трудноразрешимые проблемы. Первая состоит в том, что, согласно этой теории, мы живем в мире десяти измерений. Мы ощущаем всего четыре: три пространственных измерения (длина, ширина и высота) и одно временное. Ученые считают, что другие шесть измерений пребывают в скрученном состоянии. Например, представим себе канат, соединяющий два столба. Если смотреть на него издалека, мы увидим лишь тонкую линию. На канате живет муравей. Так как мы стоим на большом расстоянии, нам кажется, что муравей бегает только влево-вправо вдоль каната.
Канат для нас выглядит одномерным объектом. Возьмем бинокль и вновь посмотрим на канат. Теперь мы видим, что у муравья есть два направления для прогулок: вдоль по канату и вокруг его оси (по часовой и против часовой стрелки). Значит, поверхность каната имеет два измерения. Подобным образом ученые объясняют, как скручены шесть невидимых нам измерений.
Вторая проблема техническая. У теории струн нет законченного варианта. Она до сих пор не приведена в строгий математический вид. Для этого физикам недостает математических формул.
Сторонники теории струн возлагают надежды на будущие поколения. В одной из телевизионных передач, посвященных теории струн, доктор физико-математических наук Дмитрий Гальцов отметил, что теория растет и развивается. «Она становится все проще и красивее. Это еще не теория, пока это строительная площадка. Но на этой площадке уже видны контуры здания». Гальцов подчеркнул, что в будущем «теория струн будет одной из основных физических теорий», аргументируя это тем, что на сегодняшний день реальной альтернативы ей нет. В частности, теория струн объясняет проблемы черных дыр, другие теории этого сделать не могут. Академик РАН Валерий Рубаков был менее оптимистичен, прогнозируя будущее теории струн. «Конечно, в глубине души все, кто этим делом занимается, надеются, что появится экспериментально подтверждаемые и подтвержденные результаты, которые будут прямо свидетельствовать в пользу этих конструкций. Но есть и такой шанс, что эксперименты обозримого будущего ничего нам прямо не скажут».
«Струнные» физики попытались создать универсальную теорию. Но экспериментальные физики теорию струн не признают: ведь ее нельзя доказать опытным путем. Ученые надеются разработать такую универсальную теорию, которую можно было бы проверить на практике. Эта теория упростила бы картину устройства мира до предела. А мы бы смогли получить ответы на все вопросы, связанные с физическими явлениями. Но только вот когда мы их получим?
ВНИМАНИЕ:
В связи с тем, что увеличилось количество спама, мы изменили проверку. Для отправки комментария, необходимо после его написания:
1. Поставить галочку напротив слов "Я НЕ РОБОТ".
2. Откроется окно с заданием. Например: "Выберите все изображения, где есть дорожные знаки". Щелкаем мышкой по картинкам с дорожными знаками, не меньше трех картинок.
3. Когда выбрали все картинки. Нажимаем "Подтвердить".
4. Если после этого от вас требуют выбрать что-то на другой картинке, значит, вы не до конца все выбрали на первой.
5. Если все правильно сделали. Нажимаем кнопку "Отправить".