Теорія 10 струн. Теорія струн - єдина теорія всього? Крапка, крапка, кома

Теорія суперструн, популярною мовою, Представляє всесвіт як сукупність вібруючих ниток енергії - струн. Вони є основою природи. Гіпотеза визначає й інші елементи - лайки. Всі речовини в нашому світі складаються з коливань струн та лайок. Природним наслідком теорії є опис гравітації. Саме тому вчені вважають, що вона містить ключ до об'єднання сили тяжіння з іншими взаємодіями.

Концепція розвивається

Теорія єдиного поля, теорія суперструн - суто математична. Як і всі фізичні концепції, вона заснована на рівняннях, які можуть бути певним чином інтерпретовані.

Сьогодні ніхто точно не знає, яким буде остаточний варіант цієї теорії. Вчені мають досить невиразне уявлення про неї загальних елементахАле ніхто ще не придумав остаточного рівняння, яке охопило б всі теорії суперструн, а експериментально досі не вдалося її підтвердити (хоча й спростувати теж). Фізики створили спрощені версії рівняння, але поки що воно не цілком описує наш всесвіт.

Теорія суперструн для початківців

В основі гіпотези покладено п'ять ключових ідей.

Теорія суперструн передбачає, що всі об'єкти нашого світу складаються з вібруючих ниток та мембран енергії.
Вона намагається поєднати загальну теоріювідносності (гравітації) з квантовою фізикою.
Теорія суперструн дозволить поєднати всі фундаментальні сили всесвіту.
Ця гіпотеза передбачає новий зв'язок, суперсиметрію, між двома принципово різними типамичастинок, бозонами та ферміонами.
Концепція описує ряд додаткових, зазвичай неспостережуваних вимірів Всесвіту.

Струни та лайки

Коли теорія з'явилася 1970 роки, нитки енергії у ній вважалися 1-мерными об'єктами - струнами. Слово «одномірний» говорить про те, що струна має лише 1 вимір, довжину, на відміну від, наприклад, квадрата, який має довжину та висоту.

Ці суперструни теорія ділить на два види – замкнуті та відкриті. Відкрита струна має кінці, які не стикаються один з одним, тоді як замкнута струна є петлею без відкритих кінців. У результаті було встановлено, що ці струни, звані струнами першого типу, схильні до 5 основних типів взаємодій.

Взаємодії ґрунтуються на здатності струни з'єднувати та розділяти свої кінці. Оскільки кінці відкритих струн можуть об'єднатися, щоб утворювати замкнуті, не можна побудувати теорію суперструн, що не включає струни, що закільцювали.

Це виявилося важливим, оскільки замкнуті струни мають властивості, як вважають фізики, які могли б описати гравітацію. Іншими словами, вчені зрозуміли, що теорія суперструн замість пояснення частинок матерії може описувати їхню поведінку та силу тяжкості.

Через багато років було виявлено, що крім струн, теорії необхідні й інші елементи. Їх можна розглядати як листи, чи лайки. Струни можуть кріпитися до їх однієї чи обох сторін.

Квантова гравітація

Сучасна фізика має два основні наукові закони: загальну теорію відносності (ОТО) та квантову. Вони представляють різні галузі науки. Квантова фізика вивчає найдрібніші природні частки, а ОТО, як правило, описує природу в масштабах планет, галактик та всесвіту в цілому. Гіпотези, які намагаються поєднати їх, називаються теоріями квантової гравітації. Найперспективнішою з них сьогодні є струнна.

Замкнуті нитки відповідають поведінці сили тяжіння. Зокрема, вони мають властивості гравітону, частки, що переносить гравітацію між об'єктами.

Об'єднання сил

Теорія струн намагається об'єднати чотири сили – електромагнітну, сильні та слабкі ядерні взаємодії, та гравітацію – в одну. У нашому світі вони проявляють себе як чотири різні явища, але струнні теоретики вважають, що в ранньому Всесвіті, коли були неймовірно високі рівніенергії, всі ці сили описуються струнами, що взаємодіють один з одним.

Суперсиметрія

Усі частки у всесвіті можна розділити на два типи: бозони та ферміони. Теорія струн передбачає, що з-поміж них існує зв'язок, звана суперсиметрією. При суперсиметрії кожного бозона повинен існувати ферміон і кожного ферміона - бозон. На жаль, експериментальне існування таких частинок не підтверджено.

Суперсиметрія є математичною залежністюміж елементами фізичних рівнянь. Вона була виявлена в іншій області фізики, а її застосування призвело до перейменування на теорію суперсиметричних струн (або теорія суперструн, популярним мовою) у середині 1970 років.

Однією з переваг суперсиметрії є те, що вона значно полегшує рівняння, дозволяючи виключити деякі змінні. Без суперсиметрії рівняння призводять до фізичних протиріч, таких як нескінченні значення та уявні

Оскільки вчені не спостерігали частки, передбачені суперсиметрією, вона все ще є гіпотезою. Багато фізиків вважають, що причина цього - необхідність значної кількості енергії, яка пов'язана з масою відомим рівнянням Ейнштейна E = mc 2 . Ці частки могли існувати в ранньому всесвіті, але так як він охолонув, і після Великого вибуху енергія поширилася, ці частинки перейшли на низькоенергетичні рівні.

Іншими словами, струни, що вібрували як високоенергетичні частинки, втратили енергію, що перетворило їх на елементи з нижчою вібрацією.

Вчені сподіваються, що астрономічні спостереження або експерименти з прискорювачами частинок підтвердять теорію, виявивши деякі суперсиметричні елементи з вищою енергією.

Додаткові виміри

Іншим математичним наслідком теорії струн є те, що вона має сенс у світі, число вимірів якого більше трьох. Нині цьому є два пояснення:

Додаткові виміри (шість із них) згорнулися, або, в термінології теорії струн, компактифікувалися до неймовірно малих розмірів, сприйняти які ніколи не вдасться.
Ми застрягли в 3-мірній лайці, а інші виміри простягаються поза нею і для нас недоступні.

Важливим напрямом досліджень серед теоретиків є математичне моделювання того, як ці додаткові координати можуть бути пов'язані з нашими. Останні результати передбачають, що вчені незабаром зможуть виявити ці додаткові виміри(якщо вони існують) у майбутніх експериментах, оскільки вони можуть бути більшими, ніж очікувалося раніше.

Розуміння мети

Мета, якої прагнуть вчені, досліджуючи суперструни - «теорія всього», т. е. єдина фізична гіпотеза, яка на фундаментальному рівні описує всю фізичну реальність. У разі успіху вона могла б прояснити багато питань будови нашого всесвіту.

Пояснення матерії та маси

Одне з основних завдань сучасних досліджень- Пошук рішення для реальних частинок.

Теорія струн починалася як концепція, що описує такі частинки, як адрони, різними вищими коливальними станами струни. У більшості сучасних формулювань, матерія, що спостерігається в нашому всесвіті, є результатом коливань струн і лайок з найменшою енергією. Вібрації з більшою породжують високоенергійні частки, які нині у світі немає.

Маса цих є проявом того, як струни та лани загорнуті в компактифікованих додаткових вимірах. Наприклад, у спрощеному випадку, коли вони згорнуті у формі бублика, званому математиками та фізиками тором, струна може обернути цю форму двома способами:

коротка петля через середину тора;
довга петля навколо всього зовнішнього кола тора.

Коротка петля буде легкою частинкою, а велика – важка. При обертанні струн навколо тороподібних компактифікованих вимірів утворюються нові елементи з різними масами.

Теорія суперструн коротко і зрозуміло, просто та елегантно пояснює перехід довжини у масу. Згорнуті виміри тут набагато складніше тора, але в принципі вони працюють також.

Можливо навіть, хоча це важко уявити, що струна обертає тор у двох напрямках одночасно, результатом чого буде інша частка з іншою масою. Брани теж можуть обертати додаткові виміри, створюючи ще більше можливостей.

Визначення простору та часу

У багатьох версіях теорія суперструн виміру згортає, роблячи їх неспостережуваними на сучасному рівнірозвитку технології.

В даний час не ясно, чи зможе теорія струн пояснити фундаментальну природу простору і часу більше, ніж це зробив Ейнштейн. У ній виміри є тлом взаємодії струн і самостійного реального сенсу немає.

Пропонувалися пояснення, які до кінця не доопрацьовані, що стосувалися представлення простору-часу як похідного. загальної сумивсіх струнних взаємодій.

Такий підхід не відповідає уявленням деяких фізиків, що призвело до критики гіпотези. Конкурентна теорія як відправна точка використовує квантування простору і часу. Деякі вважають, що зрештою вона виявиться лише іншим підходом до тієї ж базової гіпотези.

Квантування сили тяжіння

Головним досягненням цієї гіпотези, якщо вона підтвердиться, буде квантова теорія гравітації. Поточний опис у ВТО не узгоджується з квантовою фізикою. Остання, накладаючи обмеження на поведінку невеликих частинок, при спробі дослідити Всесвіт у вкрай малих масштабах веде до виникнення протиріч.

Уніфікація сил

В даний час фізикам відомі чотири фундаментальні сили: гравітація, електромагнітна, слабкі та сильні ядерні взаємодії. З теорії струн випливає, що вони колись були проявами однієї.

Відповідно до цієї гіпотези, оскільки ранній всесвітохолонула після великого вибуху, ця єдина взаємодія почала розпадатися на різні, що діють сьогодні.

Експерименти з високими енергіями колись дозволять нам виявити об'єднання цих сил, хоча такі досвіди знаходяться далеко за межами поточного розвитку технології.

П'ять варіантів

Після суперструнної революції 1984 р. розробки велися з гарячковою швидкістю. У результаті замість однієї концепції вийшло п'ять названих типів I, IIA, IIB, HO, HE, кожна з яких майже повністю описувала наш світ, але не до кінця.

Фізики, перебираючи версії теорії струн, сподіваючись знайти універсальну справжню формулу, створили 5 різних самодостатніх варіантів. Якісь їхні властивості відбивали фізичну реальність світу, інші відповідали дійсності.

М-теорія

На конференції 1995 року фізик Едвард Віттен запропонував сміливе вирішення проблеми п'яти гіпотез. Грунтуючись на нещодавно виявленій дуальності, всі вони стали окремими випадками єдиної всеосяжної концепції, названої Віттеном М-теорія суперструн. Одним із ключових її понять стали лайки (скорочення від мембрани), фундаментальні об'єкти, що володіють більш ніж 1 виміром. Хоча автор не запропонував повну версію, якої немає досі, М-теорія суперструн коротко складається з таких рис:

11-мірність (10 просторових плюс 1 тимчасовий вимір);
двоїстості, які призводять до п'яти теорій, що пояснюють ту саму фізичну реальність;
лани - струни, з більш ніж 1 виміром.

Наслідки

В результаті замість одного виникло 10500 рішень. Для деяких фізиків це спричинило кризу, інші ж прийняли антропний принцип, що пояснює властивості всесвіту нашою присутністю в ньому. Залишається очікувати, коли теоретики знайдуть інший спосіб орієнтування теорії суперструн.

Деякі інтерпретації свідчать, що наш світ не єдиний. Найбільш радикальні версії дозволяють існування нескінченного числаВсесвіту, деякі з яких містять точні копії нашої.

Теорія Ейнштейна передбачає існування згорнутого простору, яке називають червоточиною або мостом Ейнштейна-Розена. У цьому випадку дві віддалені ділянки пов'язані коротким проходом. Теорія суперструн дозволяє не тільки це, а й з'єднання віддалених точок. паралельних світів. Можливий навіть перехід між всесвітами з різними законамифізики. Однак ймовірний варіант, коли квантова теорія гравітації унеможливить їх існування.

Багато фізиків вважають, що голографічний принцип, коли вся інформація, що міститься в обсязі простору, відповідає інформації, записаній на його поверхні, дозволить глибше зрозуміти концепцію енергетичних ниток.

Деякі вважають, що теорія суперструн дозволяє множина вимірювань часу, наслідком чого може бути подорож через них.

Крім того, в рамках гіпотези існує альтернатива моделі великого вибуху, згідно з якою наш всесвіт з'явився в результаті зіткнення двох бран і проходить через цикли створення і руйнування, що повторюються.

Кінцева доля всесвіту займала фізиків, і остаточна версія теорії струн допоможе визначити щільність матерії та космологічну константу. Знаючи ці значення, космологи зможуть встановити, чи всесвіт стискатиметься доти, доки не вибухне, щоб усе почалося знову.

Ніхто не знає, до чого може привести доки вона не буде розроблена та перевірена. Ейнштейн, записавши рівняння E=mc 2 не припускав, що воно призведе до появи ядерної зброї. Творці квантової фізики не знали, що вона стане основою створення лазера і транзистора. І хоча зараз ще не відомо, до чого приведе така суто теоретична концепція, історія свідчить про те, що, напевно, вийде щось визначне.

Докладніше про цю гіпотезу можна прочитати в книзі Ендрю Циммермана Теорія суперструн для чайників.

Це вже четверта тема. Прохання добровольцям теж не забувати, які теми вони висловили бажання висвітлити чи може хтось тільки зараз обрав якусь тему зі списку. З мене репост та просування по соцмережах. А тепер наша тема: "теорія струн"

Ви, напевно, чули про те, що найпопулярніша наукова теоріянашого часу - теорія струн, - має на увазі існування набагато більшої кількості вимірів, ніж підказує нам здоровий глузд.

Сама велика проблемау теоретичних фізиків - як поєднати все фундаментальні взаємодії(гравітаційне, електромагнітне, слабке та сильне) в єдину теорію. Теорія суперструн якраз претендує на роль Теорії Усього.

Але виявилося, що найзручніша кількість вимірювань, необхідна для роботи цієї теорії – цілих десять (дев'ять з яких – просторові, і одне – тимчасове)! Якщо вимірів більше чи менше, математичні рівняннядають ірраціональні результати, що йдуть у нескінченність – сингулярність.

Наступний етап розвитку теорії суперструн – М-теорія – нарахувала вже одинадцять розмірностей. А ще один її варіант – F-теорія – всі дванадцять. І це не ускладнення. F-теорія описує 12-мірний простір більше простими рівняннями, ніж М-теорія – 11-мірне.

Звичайно, теоретична фізика не дарма називається теоретичною. Усі її досягнення існують поки що лише на папері. Так, щоб пояснити чому ми можемо переміщатися лише у тривимірному просторі, вчені заговорили у тому, як нещасним іншим вимірам довелося скукожиться в компактні сфери на квантовому рівні. Якщо бути точними, то не у сфері, а в просторі Калабі-Яу. Це такі тривимірні фігурки, усередині яких свій власний світ із власною розмірністю. Двовимірна проекція подібного різноманіття виглядає приблизно так:

Таких фігурок відомо понад 470 мільйонів. Яка з них відповідає нашій дійсності, даний моментобчислюється. Нелегко це бути теоретичним фізиком.

Так, це здається трохи притягнутим за вуха. Але, може, саме цим і пояснюється, чому квантовий світтак відрізняється від сприйманого нами.

Давайте трохи поринемо в історію

У 1968 р. молодий фізик-теоретик Габріеле Венеціано корпів над осмисленням численних експериментально спостережуваних характеристик сильної ядерної взаємодії. Венеціано, який на той час працював у ЦЕРНі, Європейській прискорювальній лабораторії, що знаходиться в Женеві (Швейцарія), працював над цією проблемою протягом кількох років, поки одного разу його не осяяла блискуча здогадка. На превеликий подив він зрозумів, що екзотична математична формула, придумана приблизно за двісті років до цього знаменитим швейцарським математиком Леонардом Ейлером в чисто математичних цілях- так звана бета-функція Ейлера, - схоже, здатна описати одним махом усі численні властивості частинок, що беруть участь у сильній ядерній взаємодії. Помічене Венеціано властивість давало потужну математичний описбагатьом особливостям сильної взаємодії; воно викликало шквал робіт, в яких бета-функція та її різні узагальнення використовувалися для опису величезних масивів даних, накопичених щодо зіткнень частинок по всьому світу. Однак у певному сенсіспостереження Венеціано було неповним. Подібно до зазубреної напам'ять формули, що використовується студентом, який не розуміє її сенсу чи значення, бета-функція Ейлера працювала, але ніхто не розумів чому. То була формула, яка вимагала пояснення.

Габріеле Венеціано (Gabriele Veneziano)

Стан справ змінився в 1970 р., коли Йохіро Намбу з університету Чикаго, Хольгер Нільсен з інституту Нільса Бора і Леонард Саскінд зі Станфордського університету змогли виявити фізичний сенс, що ховався за формулою Ейлера Ці фізики показали, що при поданні елементарних частинок маленькими одновимірними струнами, що коливаються, сильна взаємодія цих частинок в точності описується за допомогою функції Ейлера. Якщо відрізки струн є досить малими, міркували ці дослідники, вони, як і раніше, виглядатимуть як точкові частинки, а отже, не суперечитимуть результатам експериментальних спостережень. Хоча ця теорія була простою та інтуїтивно привабливою, незабаром було показано, що опис сильної взаємодії за допомогою струн містить вади. На початку 1970-х років. фахівці з фізики високих енергійзмогли глибше заглянути в субатомний світ і показали, що низка передбачень моделі, заснованої на використанні струн, перебуває у прямому протиріччі з результатами спостережень. У той самий час паралельно йшов розвиток квантово-польової теорії – квантової хромодинаміки, – у якій використовувалася точкова модель частинок. Успіхи цієї теорії в описі сильної взаємодії призвели до відмови від теорії струн.
Більшість фахівців з фізики елементарних частинок вважали, що теорія струн назавжди відправлена в смітник, проте низка дослідників зберегла їй вірність. Шварц, наприклад, відчував, що « математична структуратеорія струн настільки прекрасна і має стільки разючих властивостей, що, безсумнівно, повинна вказувати на щось глибше» 2 ). Одна з проблем, з якими фізики стикалися в теорії струн, полягала в тому, що вона, як здавалося, надавала занадто багатий вибір, що збивало з пантелику. Деякі зміни струн, що коливаються, в цій теорії мали властивості, які нагадували властивості глюонів, що давало підставу дійсно вважати її теорією сильної взаємодії. Однак крім цього в ній містилися додаткові частинки-переносники взаємодії, які не мали жодного відношення до експериментальних проявів сильної взаємодії. У 1974 р. Шварц і Джоель Шерк з французької Вищої технічної школи зробили сміливе припущення, яке перетворило цей недолік, що здається, на гідність. Вивчивши дивні моди коливань струн, що нагадують частинки-переносники, вони зрозуміли, що ці властивості дивовижно точно збігаються з гаданими властивостями гіпотетичної частки-переносника гравітаційної взаємодії – гравітону. Хоча ці « дрібні частинкиГравітаційної взаємодії досі так і не вдалося виявити, теоретики можуть впевнено передбачити деякі фундаментальні властивості, якими повинні мати ці частинки. Шерк і Шварц виявили, що ці характеристики точно реалізуються для деяких мод коливань. Грунтуючись на цьому, вони припустили, що перше пришестя теорії струн закінчилося невдачею через те, що фізики надмірно звузили область її застосування. Шерк і Шварц оголосили, що теорія струн – це не просто теорія сильної взаємодії, це квантова теорія, яка, крім іншого, включає гравітацію).

Фізична спільнота відреагувала на це припущення дуже стримано. Насправді, за спогадами Шварца, «нашу роботу було проігноровано всіма» 4 ). Шляхи прогресу вже були ґрунтовно захаращені численними спробами, що провалилися, об'єднати гравітацію і квантову механіку. Теорія струн зазнала невдачі у своїй початковій спробі описати сильну взаємодію, і багатьом здавалося безглуздим намагатися використати її для досягнення ще більших цілей. Наступні, детальніші дослідження кінця 1970-х і початку 1980-х років. показали, що між теорією струн та квантовою механікою виникають свої, хоч і менші за масштабами, протиріччя. Складалося враження, що гравітаційна силазнову змогла встояти перед спробою вбудувати її в опис світобудови на мікроскопічному рівні.
Так було до 1984 р. У своїй статті, що зіграла поворотну роль і підсумувала більш ніж десятирічні інтенсивні дослідження, які здебільшого були проігноровані або відкинуті більшістю фізиків, Грін і Шварц встановили, що незначна суперечність з квантовою теорією, Яким страждала теорія струн, може бути дозволено. Більш того, вони показали, що отримана в результаті теорія має достатню широту, щоб охопити всі чотири види взаємодій та всі види матерії. Звістка про цей результат поширилася по всій фізичній спільноті: сотні фахівців з фізики елементарних частинок припиняли роботу над своїми проектами, щоб взяти участь у штурмі, який здавався останньою теоретичною битвою у багатовіковому наступі на найглибші основи світобудови.
Звістка про успіх Гріна та Шварца, зрештою, дійшла навіть до аспірантів першого року навчання, і на зміну колишньому зневірі прийшло збудливе відчуття причетності до поворотного моменту в історії фізики. Багато хто з нас засиджувався глибоко за північ, штудуючи важкі фоліанти з теоретичної фізики та абстрактної математики, знання яких необхідне для розуміння теорії струн.

Якщо вірити вченим, то ми самі і все навколо нас складається з безлічі ось таких загадкових згорнутих мікрооб'єктів.
Період з 1984 по 1986 р.р. тепер відомий як "перша революція в теорії суперструн". Протягом цього періоду фізиками всього світу було написано понад тисячу статей з теорії струн. Ці роботи остаточно продемонстрували, що численні властивості стандартної моделі, відкриті протягом десятиліть копітких досліджень, природним чиномвипливають із величної системи теорії струн. Як зазначив Майкл Грін, «момент, коли ви знайомитеся з теорією струн і усвідомлюєте, що майже всі основні досягнення фізики останнього сторіччявипливають – і випливають з такою елегантністю – з такої простої відправної точки, ясно демонструє вам усю неймовірну міць цієї теорії» 5 . Більше того, для багатьох з цих властивостей, як ми побачимо нижче, теорія струн дає набагато повніший і задовільний опис, ніж стандартна модель. Ці досягнення переконали багатьох фізиків, що теорія струн здатна виконати свої обіцянки і стати остаточною теорією, що об'єднує.

Двовимірна проекція тривимірного різноманіття Калабі-Яу. Ця проекція дає уявлення про те, як складно влаштовані додаткові виміри.

Однак на цьому шляху фізики, що займалися теорією струн, знову і знову натикалися на серйозні перешкоди. У теоретичній фізиці часто доводиться мати справу з рівняннями, які або занадто складні для розуміння, або важко піддаються вирішенню. Зазвичай у такій ситуації фізики не пасують і намагаються отримати наближене розв'язання цих рівнянь. Стан справ у теорії струн набагато складніший. Навіть сам висновок рівнянь виявився настільки складним, що досі вдалося отримати лише їхній наближений вигляд. Таким чином, фізики, які працюють у теорії струн, опинилися у ситуації, коли їм доводиться шукати наближені рішення наближених рівнянь. Після декількох років прогресу, що вражає уяву, досягнутого протягом першої революції теорії суперструн, фізики зіткнулися з тим, що використовувані наближені рівняння виявилися нездатними дати правильну відповідь на ряд важливих питань, гальмуючи цим подальший розвиток досліджень. Не маючи конкретних ідей щодо виходу за рамки цих наближених методів, багато фізиків, які працювали в галузі теорії струн, зазнали зростаючого почуття розчарування і повернулися до своїх попередніх досліджень. Для тих, хто залишився, кінець 1980-х та початок 1990-х років. були періодом випробувань.

Краса і потенційна міць теорії струн манили дослідників подібно до золотого скарбу, надійно замкненого в сейфі, бачити яке можна лише через крихітне вічко, але ні в кого не було ключа, який випустив би ці дрімучі сили на волю. Довгий період «засухи» час від часу переривався важливими відкриттямиАле всім було ясно, що потрібні нові методи, які дозволили б вийти за рамки вже відомих наближених рішень.

Кінець застою поклав захоплюючий дух доповідь, зроблену Едвардом Віттеном в 1995 р. на конференції з теорії струн в університеті Південної Каліфорнії – доповідь, яка приголомшила аудиторію, заповнена провідними фізиками світу. У ньому він оприлюднив план наступного етапу досліджень, започаткувавши тим самим початок «другої революції в теорії суперструн». Зараз фахівці з теорії струн енергійно працюють над новими методами, які обіцяють подолати перешкоди.

За широку популяризацію МС людству варто було б поставити пам'ятник професору Колумбійського університету (Columbia University) Брайану Гріну (Brian Greene). Його вийшла 1999 року книга «Елегантний Всесвіт. Суперструни, приховані розмірності та пошуки остаточної теорії» стала бестселером та отримала Пулітцерівську премію. Праця вченого лягла в основу науково-популярного міні-серіалу із самим автором у ролі ведучого – його фрагмент можна побачити наприкінці матеріалу (фото Amy Sussman/Columbia University).

клікабельно 1700 рх

А тепер давайте хоч трохи спробуємо зрозуміти суть цієї теорії.

Почнемо спочатку. Нульовий вимір – це точка. Вона не має розмірів. Рухатися нікуди, жодних координат для позначення місцезнаходження в такому вимірі не потрібно.

Поставимо поруч із першою точкою другу та проведемо через них лінію. Ось вам і перший вимір. Одномірний об'єкт має розмір - довжину, але немає ні ширини, ні глибини. Рух в рамках одновимірного простору дуже обмежений, адже перешкода, що виникла на шляху, не обійдеш. Щоб визначити місцезнаходження на цьому відрізку, знадобиться лише одна координата.

Поставимо поруч із відрізком крапку. Щоб вмістити обидва ці об'єкти, нам знадобиться вже двовимірний простір, що має довжину і ширину, тобто площу, проте без глибини, тобто об'єму. Розташування будь-якої точки на цьому полі визначається двома координатами.

Третій вимір виникає, коли ми додаємо до цієї системи третю вісь координат. Нам, мешканцям тривимірного всесвіту, дуже легко це уявити.

Спробуємо уявити, як бачать світ мешканці двовимірного простору. Наприклад, ось ці дві чоловічки:

Кожен з них побачить свого товариша таким:

А при такому розкладі:

Наші герої побачать один одного такими:

Саме зміна точки огляду дозволяє нашим героям судити один про одного як про двовимірні об'єкти, а не одновимірні відрізки.

А тепер уявімо, що об'ємний об'єкт рухається в третьому вимірі, який перетинає цей двовимірний світ. Для стороннього спостерігача цей рух виразиться в зміні двовимірних проекцій об'єкта на площині, як у брокколі в апараті МРТ:

Але для мешканця нашої Флатландії така картинка незбагненна! Він може навіть уявити її собі. Для нього кожна з двовимірних проекцій буде бачитися одновимірним відрізком із загадково мінливою довжиною, що виникає в непередбачуваному місці і також непередбачувано зникає. Спроби прорахувати довжину та місце виникнення таких об'єктів за допомогою законів фізики двовимірного простору приречені на провал.

Ми, мешканці тривимірного світу, бачимо все двовимірним. Тільки переміщення предмета у просторі дозволяє нам відчути його обсяг. Будь-який багатовимірний об'єкт ми побачимо також двовимірним, але він буде дивним чином змінюватися в залежності від нашого з ним взаєморозташування або часу.

З цього погляду цікаво думати, наприклад, про гравітацію. Всі, напевно, бачили, подібні картинки:

Там прийнято зображати, як гравітація викривляє простір-час. Викривляє… куди? Точно в жодний зі знайомих нам вимірів. А квантове тунелювання, тобто, здатність частинки зникати в одному місці і з'являтися зовсім в іншому, причому за перешкодою, через яку в наших реаліях вона не змогла б проникнути, не зробивши в ньому дірку? А чорні дірки? А що, якщо всі ці та інші загадки сучасної наукипояснюються тим, що геометрія простору зовсім не така, якою ми звикли її сприймати?

Тикає годинник

Час додає до нашого Всесвіту ще одну координату. Для того, щоб вечірка відбулася, потрібно знати не лише в якому барі вона відбудеться, а й точний час цієї події.

Виходячи з нашого сприйняття, час - це не так пряма, як промінь. Тобто він має відправну точку, а рух здійснюється лише в одному напрямку - з минулого в майбутнє. Причому реально лише справжнє. Ні минуле, ні майбутнє не існують, як не існують сніданки та вечері з погляду офісного клерка в обідню перерву.

Але теорія відносності із цим не згодна. З її погляду, час - це повноцінний вимір. Всі події, які існували, існують і будуть існувати, однаково реальні, як реальний морський пляж, незалежно від того, де саме мрії про шум прибою захопили нас зненацька. Наше сприйняття - це лише щось на зразок прожектора, який висвітлює на прямий час якийсь відрізок. Людство у його четвертому вимірі виглядає приблизно так:

Але бачимо лише проекцію, зріз цього виміру у кожен окремий час. Так-так, як брокколі в апараті МРТ.

Досі всі теорії працювали з великою кількістюпросторових вимірів, а тимчасове завжди було єдиним. Але чому простір припускає появу множинних розмірностей для простору, але час лише один? Поки вчені не зможуть відповісти на це питання, гіпотеза про два або більше тимчасових просторів здаватиметься дуже привабливою для всіх філософів і фантастів. Та й фізикам, чого там. Скажімо, американський астрофізик Іцхак Барс коренем всіх бід з Теорією Усього бачить якраз упущений з уваги другий тимчасовий вимір. Як розумова вправа, спробуємо уявити собі світ із двома часом.

Кожен вимір існує окремо. Це виявляється у тому, що й змінюємо координати об'єкта у однієї розмірності, координати за іншими можуть залишатися незмінними. Так, якщо ви рухаєтеся однією тимчасовою осі, яка перетинає іншу під прямим кутом, то в точці перетину час навколо зупиниться. На практиці це виглядатиме приблизно так:

Все, що Нео потрібно було зробити - це розмістити свою одновимірну тимчасову вісь перпендикулярно до тимчасової осі куль. Суща дрібниця, погодьтеся. Насправді все набагато складніше.

Точний час у всесвіті з двома часовими вимірами визначатиметься двома значеннями. Слабо уявити двовимірну подію? Тобто таке, яке протяжне одночасно по двох тимчасових осях? Цілком ймовірно, що в такому світі будуть потрібні фахівці зі складання карти часу, як картографи складають карти двомірної поверхні земної кулі.

Що ще відрізняє двовимірний простір від одновимірного? Можливість оминати перешкоду, наприклад. Це вже зовсім за межами нашого розуму. Житель одновимірного світу не може уявити собі як це – завернути за ріг. Та й що це таке – кут у часі? Крім того, в двовимірному просторіможна мандрувати вперед, назад, та хоч по діагоналі. Я без поняття як це пройти через час по діагоналі. Я вже не кажу про те, що час лежить в основі багатьох фізичних законіві як зміниться фізика Всесвіту з появою ще одного тимчасового виміру, неможливо уявити. Але розмірковувати про це так цікаво!

Дуже велика енциклопедія

Інші виміри ще відкриті, існують лише у математичних моделях. Але можна спробувати уявити їх так.

Як ми з'ясували раніше, бачимо тривимірну проекцію четвертого (тимчасового) виміру Всесвіту. Іншими словами, кожен момент існування нашого світу – це точка (аналогічно нульовому виміру) на відрізку часу від Великого вибуху до кінця світу.

Ті з вас, хто читав про переміщення у часі, знають яку важливу рольу них грає викривлення просторово-часового континууму. Ось цей і є п'ятий вимір - саме в ньому «згинається» чотиривимірний простір-час, щоб зблизити дві якісь точки на цій прямій. Без цього подорож між цими точками була б надто тривалою, або взагалі неможливою. Грубо кажучи, п'яте вимір аналогічно другому - воно переміщає «одномірну» лінію простору-часу в «двовимірну» площину з усіма можливими загорнути за кут.

Наші особливо філософсько-налаштовані читачі трохи раніше, мабуть, задумалися про можливість вільної волів умовах, де майбутнє вже існує, але поки що не відомо. Наука це питання відповідає так: ймовірності. Майбутнє - це не палиця, а цілий віник із можливих варіантіврозвитку подій. Який з них здійсниться – дізнаємось коли доберемося.

Кожна з ймовірностей існує у вигляді "одномірного" відрізка на "площині" п'ятого виміру. Як найшвидше перескочити з одного відрізка на інший? Правильно – зігнути цю площину, як аркуш паперу. Куди зігнути? І знову правильно - у шостому вимірі, який надає всій цій складній структурі"Об `єм". І, таким чином, робить її, подібно до тривимірного простору, «закінченою», новою точкою.

Сьомий вимір - це нова пряма, що складається з шестивимірних «крапок». Що являє собою якась інша точка на цій прямій? Весь нескінченний набір варіантів розвитку подій в іншому всесвіті, утвореному не в результаті Великого Вибуху, а в інших умовах, що діє за іншими законами. Тобто сьомий вимір – це намисто з паралельних світів. Восьмий вимір збирає ці "прямі" в одну "площину". А дев'яте можна порівняти з книгою, яка вмістила у собі всі «листи» восьмого виміру. Це сукупність всіх історій всіх всесвітів із усіма законами фізики та всіма початковими умовами. Знову крапка.

Тут ми упираємося у межу. Щоб уявити собі десятий вимір, нам потрібна пряма. А яка може бути інша точка на цій прямій, якщо дев'ятий вимір уже покриває все, що тільки можна собі уявити, і навіть те, що й уявити неможливо? Виходить, дев'ятий вимір – це не чергова відправна точка, а фінальна – для нашої фантазії, принаймні.

Теорія струн стверджує, що у десятому вимірі здійснюють свої коливання струни - базові частки, у тому числі складається все. Якщо десяте вимір містить собі все всесвіти та всі можливості, то струни існують скрізь і весь час. У сенсі, кожна струна існує і в нашому всесвіті, і в будь-якій іншій. Будь-якої миті часу. Відразу. Круто, ага?

Фізик, спеціаліст з теорії струн. Відомий своїми роботами з дзеркальної симетрії, пов'язаними з топологією відповідних різноманітностей Калабі-Яу Широкій аудиторії відомий як автор науково-популярних книг. Його «Елегантний Всесвіт» було номіновано на Пулітцерівську премію.

У вересні 2013 року до Москви на запрошення Політехнічного музеюприїхав Брайан Грін. Знаменитий фізик, фахівець з теорії струн, професор Колумбійського університету, він відомий широкому загалу в першу чергу як популяризатор науки та автор книги «Елегантний Всесвіт». «Лента.ру» поговорила з Браяном Гріном про теорію струн і нещодавні труднощі, з якими зіткнулася ця теорія, а також про квантову гравітацію, амплітуедру та соціальний контроль.

Література російською мовою: Kaku M., Thompson J.T. «Beyond Einstein: Superstrings і quest for the final theory» і в чому полягав Оригінал статті знаходиться на сайті ІнфоГлаз.рфПосилання на статтю, з якою зроблено цю копію -

Чи спадало вам на думку думка, що Всесвіт схожий на віолончель? Правильно – не приходила. Тому що Всесвіт не схожий на віолончель. Але це не означає, що вона не має струн. Звичайно, струни всесвіту навряд чи схожі на ті, які ми собі уявляємо. Теоретично струн ними називаються неймовірно малі вібруючі нитки енергії. Ці нитки схожі, швидше, на крихітні гумки, здатні звиватися, розтягуватися і стискатися на всі лади. Все це, однак, не означає, що на них не можна «зіграти» симфонію Всесвіту, адже з цих «ниток», на думку струнних теоретиків, складається все, що існує.

©depositphotos.com

Суперечність фізики

У другій половині ХІХ століття фізикам здавалося, що нічого серйозного в їх науці відкрити більше не можна. Класична фізикавважала, що серйозних проблем у ній не залишилося, а весь пристрій світу виглядав ідеально налагодженою та передбачуваною машиною. Біда, як і водиться, трапилася через нісенітницю – однієї з дрібних «хмарк», що ще залишалися на чистому, зрозумілому небі науки. А саме – при розрахунку енергії випромінювання абсолютно чорного тіла (гіпотетичне тіло, яке за будь-якої температури повністю поглинає падаюче на нього випромінювання, незалежно від довжини хвилі). Розрахунки показували, що загальна енергія випромінювання будь-якого абсолютно чорного тіла має бути нескінченно великою. Щоб уникнути такого явного абсурду, німецький учений Макс Планк у 1900 році припустив, що видиме світло, рентгенівське проміннята інші електромагнітні хвиліможуть випускатися лише деякими дискретними порціями енергії, що він назвав квантами. З їхньою допомогою вдалося вирішити приватну проблему абсолютно чорного тіла. Однак наслідки квантової гіпотези для детермінізму тоді ще не усвідомлювалися. Поки 1926 року інший німецький учений, Вернер Гейзенберг, не сформулював знаменитий принцип невизначеності.

Суть його зводиться до того, що всупереч усім твердженням, що панують до того, природа обмежує нашу здатність передбачати майбутнє на основі фізичних законів. Йдеться, звичайно, про майбутнє і сьогодення субатомних частинок. З'ясувалося, що вони поводяться зовсім не так, як це роблять будь-які речі в навколишньому макросвіті. На субатомному рівні тканина простору стає нерівною та хаотичною. Світ крихітних частинок настільки бурхливий і незрозумілий, що це суперечить здоровому глузду. Простір і час у ньому настільки викривлені та переплетені, що там немає звичайних понять лівого та правого, верху та низу, і навіть до та після. Не існує способу сказати, напевно, в якій саме точці простору знаходиться в даний момент та чи інша частка, і який при цьому момент її імпульсу. Існує лише певна ймовірність знаходження частки у безлічі областей простору-часу. Частинки на субатомному рівні наче «розмазані» простором. Мало цього, не визначено і сам «статус» частинок: в одних випадках вони поводяться як хвилі, в інших – виявляють властивості частинок. Це те, що фізики називають корпускулярно-хвильовим дуалізмом квантової механіки.

Рівні будови світу: 1. Макроскопічний рівень – речовина
2. Молекулярний рівень 3. Атомний рівень – протони, нейтрони та електрони
4. Субатомний рівень – електрон 5. Субатомний рівень – кварки 6. Струнний рівень
©Bruno P. Ramos

У Загальній теорії відносності, немов у державі з протилежними законами, справа принципово інакша. Простір видається схожим на батут - гладку тканину, яку можуть згинати і розтягувати об'єкти, що мають масу. Вони створюють деформацію простору-часу – те, що ми відчуваємо як гравітацію. Чи варто говорити, що струнка, правильна і передбачувана Загальна теорія відносності перебуває в нерозв'язному конфлікті з «химерною хуліганкою» – квантовою механікою, і, як наслідок, макросвіт не може «помиритися» з мікросвітом. Ось тут на допомогу приходить теорія струн.

©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

Теорія Всього

Теорія струн втілює мрію всіх фізиків по об'єднанню двох, докорінно суперечать другдругові ОТО та квантової механіки, мрію, яка до кінця днів не давала спокою найбільшому «циганові та бродязі» Альберту Ейнштейну.

Багато вчених впевнені, що все, від вишуканого танцю галактик до шаленого танцю субатомних частинок, може в результаті пояснюватися лише одним фундаментальним фізичним принципом. Можливо – навіть єдиним законом, який поєднує всі види енергії, частинок та взаємодій у якійсь елегантній формулі.

ОТО описує одну з найвідоміших сил Всесвіту – гравітацію. Квантова механіка описує три інші сили: сильну ядерну взаємодію, яка склеює протони та нейтрони в атомах, електромагнетизм і слабку взаємодію, яка бере участь у радіоактивному розпаді. Будь-яка подія у світобудові, від іонізації атома до народження зірки, описується взаємодіями матерії у вигляді цих чотирьох сил. За допомогою найскладнішої математикивдалося показати, що електромагнітна та слабка взаємодії мають загальну природуоб'єднавши їх у єдине електрослабке. Згодом до них додалася і сильна ядерна взаємодія - але гравітація до них не приєднується ніяк. Теорія струн – одна з найсерйозніших кандидаток на те, щоб поєднати всі чотири сили, а отже, охопити всі явища у Всесвіті – недарма її ще називають «Теорією Усього».

©Wikimedia Commons

Спочатку був міф

Досі далеко не всі фізики перебувають у захваті від теорії струн. А на зорі її появи вона зовсім здавалася нескінченно далекою від реальності. Саме її народження – легенда.

Наприкінці 1960-х років молодий італійський фізик-теоретик Габріеле Венеціано шукав рівняння, які б змогли пояснити сильні ядерні взаємодії – надзвичайно потужний «клей», який скріплює ядра атомів, пов'язуючи воєдино протони та нейтрони. Згідно з легендою, якось він випадково натрапив на курну книгу з історії математики, в якій знайшов рівняння двохсотрічної давності, вперше записане швейцарським математиком Леонардом Ейлером. Яким же було здивування Венеціано, коли він виявив, що рівняння Ейлера, яке довгий часвважали нічим іншим, як математичною дивиною, описує цю сильну взаємодію.

Як було насправді? Рівняння, ймовірно, стало результатом довгих роківроботи Венеціано, а випадок лише допоміг зробити перший крок до відкриття теорії струн. Рівняння Ейлера, яке чудово пояснило сильну взаємодію, набуло нового життя.

Зрештою, воно потрапило на очі молодому американському фізику-теоретику Леонарду Саскінду, який побачив, що насамперед формула описувала частинки, які не мали внутрішньої структури та могли вібрувати. Ці частки поводилися так, що не могли бути просто точковими частинками. Саскінд зрозумів – формула описує нитку, яка подібна до пружної гумки. Вона могла не тільки розтягуватися та стискатися, а й вагатися, звиватися. Описав своє відкриття, Саскінд представив революційну ідеюструн.

На жаль, переважна більшість його колег зустріли теорію досить прохолодно.

Стандартна модель

Тоді загальноприйнята наука представляла частки точками, а чи не струнами. Протягом багатьох років фізики досліджували поведінку субатомних частинок, зіштовхуючи їх на високих швидкостях та вивчаючи наслідки цих зіткнень. З'ясувалося, що Всесвіт набагато багатший, ніж це можна було собі уявити. То справжній «демографічний вибух» елементарних частинок. Аспіранти фізичних вузів бігали коридорами з криками, що відкрили нову частинку, – не вистачало навіть літер для їхнього позначення.

Але, на жаль, у «пологовому будинку» нових частинок вчені так і не змогли знайти відповіді на запитання – навіщо їх так багато і звідки вони беруться?

Це підштовхнуло фізиків до незвичайного і приголомшливого передбачення - вони зрозуміли, що сили, що діють у природі, можна пояснити за допомогою частинок. Тобто є частинки матерії, а є частинки-переносники взаємодій. Таким, наприклад, є фотон - частка світла. Чим більше цих частинок-переносників – тих фотонів, якими обмінюються частинки матерії, тим яскравіше світло. Вчені передбачали, що саме цей обмін частинками-переносниками є не що інше, як те, що ми сприймаємо як силу. Це підтвердилося експериментами. Так фізикам вдалося наблизитись до мрії Ейнштейна по об'єднанню сил.

©Wikimedia Commons

Вчені вважають, що якщо ми перенесемося на момент одразу після Великого вибуху, коли Всесвіт був на трильйони градусів гарячіший, частинки-переносники електромагнетизму і слабкої взаємодії стануть нерозрізняються і об'єднаються в одну-єдину силу, яку називають електрослабкою. А якщо повернутися в часі ще далі, то електрослабка взаємодія поєдналася б із сильною в одну сумарну «суперсилу».

Незважаючи на те, що все це ще чекає на свої докази, квантова механіка раптом пояснила, як три з чотирьох сил взаємодіють на субатомному рівні. Причому пояснила красиво та несуперечливо. Ця струнка картина взаємодій, зрештою, отримала назву Стандартної моделі. Але, на жаль, і в цій досконалій теорії була одна велика проблема - вона не включала в себе саму відому силумакрорівня – гравітацію.

©Wikimedia Commons

Гравітон

Для теорії «струн», що не встигла «розцвісти», настала «осінь», аж надто багато проблем вона містила з самого народження. Наприклад, викладки теорії передбачили існування частинок, яких, як встановили незабаром, немає. Це так званий тахіон - частка, яка рухається у вакуумі швидше світла. Крім того, з'ясувалося, що теорія вимагає цілих 10 вимірювань. Не дивно, що це дуже бентежило фізиків, адже це очевидно більше, ніж те, що ми бачимо.

До 1973 року лише кілька молодих фізиків усе ще боролися із загадковими викладками теорії струн. Одним із них був американський фізик-теоретик Джон Шварц. Протягом чотирьох років Шварц намагався приручити неслухняні рівняння, але без толку. Крім інших проблем, одне з цих рівнянь наполегливо описувало таємничу частинку, яка не мала маси і не спостерігалася у природі.

Вчений вже вирішив закинути свою згубну справу, і тут її осяяло - можливо, рівняння теорії струн описують, у тому числі, і гравітацію? Втім, це передбачало перегляд розмірів головних «героїв» теорії – струн. Припустивши, що струни в мільярди та мільярди разів менше атома, «струнщики» перетворили нестачу теорії на її гідність. Таємнича частка, якої Джон Шварц так наполегливо намагався позбутися, тепер виступала як гравітон – частка, яку довго шукали і яка дозволила б перенести гравітацію на квантовий рівень. Саме так теорія струн доповнила пазл гравітацією, яка відсутня у Стандартній моделі. Але, на жаль, навіть на це відкриття наукова спільнотане відреагувало. Теорія струн залишалася межі виживання. Але Шварца це зупинило. Приєднатися до його пошуків захотів лише один учений, який готовий ризикнути своєю кар'єрою заради таємничих струн – Майкл Грін.

Американський фізик-теоретик Джон Шварц (вгорі) та Майкл Грін
©California Institute of Technology/elementy.ru

Які є підстави вважати, що гравітація підпорядковується законам квантової механіки? За відкриття цих «підстав» у 2011 році було вручено Нобелівську премію з фізики. Полягало воно в тому, що розширення Всесвіту не сповільнюється, як думали колись, а навпаки, прискорюється. Пояснюють це прискорення дією особливої «антигравітації», яка якимось чином властива порожньому простору космічного вакууму. З іншого боку, на квантовому рівні нічого абсолютно «порожнього» бути не може – у вакуумі постійно виникають і відразу зникають субатомні частки. Таке «миготіння» частинок, як вважають, і є відповідальним за існування «антигравітаційної» темної енергії, яка наповнює порожній простір.

Свого часу саме Альберт Ейнштейн, який до кінця життя так і не прийняв парадоксальних принципів квантової механіки (яку він сам і передбачив), припустив існування цієї форми енергії. Наслідуючи традиції класичної грецької філософії Аристотеля з її вірою у вічність світу, Ейнштейн відмовлявся повірити в те, що передбачала його власна теорія, а саме те, що Всесвіт має початок. Щоб «увічнити» світобудову, Ейнштейн навіть увів у свою теорію певну космологічну постійну, і таким чином описав енергію порожнього простору. На щастя, за кілька років з'ясувалося, що Всесвіт – зовсім не застигла форма, що він розширюється. Тоді Ейнштейн відмовився від постійної космологічної, назвавши її «найбільшим прорахунком у своєму житті».

Сьогодні науці відомо – темна енергія таки існує, хоча щільність її набагато менша за ту, що припускав Ейнштейн (проблема щільності темної енергії, до речі, – одна з найбільших загадок сучасної фізики). Але як би не була мала величина постійної космологічної, її цілком достатньо для того, щоб переконатися в тому, що квантові ефектиу гравітації існують.

Субатомні матрьошки

Незважаючи ні на що, на початку 1980-х років теорія струн все ще мала нерозв'язні протиріччя, які називаються в науці аномаліями. Шварц і Грін взялися за їхнє усунення. І зусилля їх не пройшли даремно: вчені зуміли усунути деякі протиріччя теорії. Яке ж було здивування цих двох, що вже звикли до того, що їхню теорію пропускають повз вуха, коли реакція вченої спільноти підірвала науковий світ. Менше ніж за рік кількість струнних теоретиків підстрибнула до сотень людей. Саме тоді теорію струн нагородили титулом Теорії Усього. Нова теоріяздавалося, здатна описати всі складові світобудови. І ось ці складові.

Кожен атом, як відомо, складається з ще менших частинок – електронів, які кружляють навколо ядра, що складається з протонів та нейтронів. Протони та нейтрони, у свою чергу, складаються з ще менших частинок – кварків. Але теорія струн стверджує, що у кварках справа закінчується. Кварки складаються з крихітних ниток енергії, що звиваються, які нагадують струни. Кожна з таких струн неймовірно мала. Мала настільки, що якби атом був збільшений до розмірів Сонячної системи, то струна була б розміром з дерево. Так само, як різні коливання струни віолончелі створюють те, що ми чуємо, як різні музичні ноти, різні способи (моди) вібрації струни надають частинкам їх унікальні властивості- Масу, заряд та інше. Знаєте, чим, умовно кажучи, відрізняються протони в кінчику вашого нігтя від поки не відкритого гравітону? Тільки набором крихітних струн, які їх складають, і тим, як ці струни вагаються.

Звичайно, все це більш ніж дивно. Ще з часів Стародавню ГреціюФізики звикли до того, що все в цьому світі складається з чогось на кшталт куль, крихітних частинок. І ось, не встигнувши звикнути до алогічній поведінціцих куль, що випливає з квантової механіки, їм пропонується залишити парадигму і оперувати якимись обрізками спагетті.

П'ятий Вимір

Хоча багато вчених називають теорію струн тріумфом математики, деякі проблеми у неї все ж таки залишаються - перш за все, відсутність будь-якої можливості найближчим часом перевірити її експериментально. Жоден інструмент у світі, ні існуючий, ні здатний з'явитися в перспективі, побачити струни нездатний. Тому деякі вчені, до речі, навіть запитують: теорія струн – це теорія фізики чи філософії?.. Щоправда, бачити струни «на власні очі» зовсім не обов'язково. Для доказу теорії струн потрібне, скоріше, інше – те, що звучить як наукова фантастика– підтвердження додаткових вимірювань простору.

Про що йде мова? Всі ми звикли до трьох вимірів простору і одного часу. Але теорія струн передбачає наявність та інших – додаткових – вимірів. Але почнемо по порядку.

Насправді ідея про існування інших вимірів виникла майже сто років тому. Прийшла вона на думку нікому не відомому тоді німецькому математику Теодору Калуцу 1919 року. Він припустив можливість наявності в нашому Всесвіті ще одного виміру, якого ми не бачимо. Про цю ідею дізнався Альберт Ейнштейн, і спочатку вона йому дуже сподобалася. Пізніше, однак, він засумнівався в її правильності, і затримав публікацію Калуци цілих два роки. Зрештою, правда, стаття таки була опублікована, а додатковий вимір став своєрідним захопленням генія фізики.

Як відомо, Ейнштейн показав, що гравітація є не що інше, як деформація вимірів простору-часу. Калуца припустив, що електромагнетизм теж може бути брижами. Чому ж ми її не спостерігаємо? Калуца знайшов відповідь це питання – бриж електромагнетизму може існувати додатковому, прихованому вимірі. Але де ж воно?

Відповідь на це запитання дав шведський фізик Оскар Клейн, який припустив, що п'ятий вимір Калуци згорнутий у мільярди разів сильніший за розміри одного атома, тому ми й не можемо його бачити. Ідея існування цього крихітного виміру, що усюди навколо нас, і є основою теорії струн.

Усередині кожної з таких форм вібрує та рухається струна – основний компонент Всесвіту.
Кожна форма шестивимірна – за кількістю шести додаткових вимірів
©Wikimedia Commons

Десять вимірів

Але насправді рівняння теорії струн вимагають навіть не одного, а шести додаткових вимірів (разом, з відомими нам чотирма, їх виходить рівно десять). Всі вони мають дуже закручену та викривлену складну форму. І все – неймовірно малі.

Як же ці крихітні виміри можуть впливати на наш великий світ? Згідно з теорією струн, вирішальне: для неї все визначає форма. Коли на саксофоні ви натискаєте різні кнопки, ви отримуєте і різні звуки. Це відбувається тому, що при натисканні тієї чи іншої клавіші або їх комбінації, ви змінюєте форму простору в музичному інструментіде циркулює повітря. Завдяки цьому народжуються різні звуки.

Теорія струн вважає, що додаткові викривлені та закручені виміри простору проявляються схожим чином. Форми цих додаткових вимірів складні та різноманітні, і кожне змушує вібрувати струну, що знаходиться всередині таких вимірів, по-різному саме завдяки своїм формам. Адже якщо припустити, наприклад, що одна струна вібрує всередині глека, а інша – всередині вигнутого поштового ріжка, це будуть різні вібрації. Втім, якщо вірити теорії струн, насправді форми додаткових вимірів виглядають набагато складніше за глечик.

Як влаштований світ

Науці сьогодні відомий набір чисел, які є фундаментальними постійними Всесвітом. Саме вони визначають властивості та характеристики всього навколо нас. Серед таких констант, наприклад, заряд електрона, гравітаційна стала, швидкість світла у вакуумі… І якщо ми змінимо ці числа навіть у незначну кількість разів – наслідки будуть катастрофічними. Припустимо, що ми збільшили силу електромагнітної взаємодії. Що сталося? Ми можемо раптом виявити, що іони стали сильніше відштовхуватися один від одного, і термоядерний синтез, Який змушує зірки світити і випромінювати тепло, раптом дав збій. Усі зірки згаснуть.

Але до чого тут теорія струн із її додатковими вимірами? Справа в тому, що, відповідно до неї, саме додаткові виміри визначають точне значення фундаментальних констант. Одні форми вимірювань змушують одну струну вібрувати певним чином, і породжують те, що бачимо, як фотон. В інших формах струни вібрують по-іншому і породжують електрон. Воістину бог у «дрібницях» – саме ці крихітні форми визначають всі основні константи цього світу.

Теорія суперструн

У середині 1980-х років теорія струн набула величного й стрункого вигляду, але всередині цього монумента панувала плутанина. Всього за кілька років виникло п'ять версій теорії струн. І хоча кожна з них побудована на струнах та додаткових вимірах (всі п'ять версій об'єднані в загальну теорію суперструн), у деталях ці версії значно розходилися.

Так, в одних версіях струни мали відкриті кінці, в інших нагадували кільця. А в деяких варіантах теорія навіть вимагала не 10, а 26 вимірів. Парадокс у тому, що всі п'ять версій на сьогоднішній день можна назвати однаково вірними. Але яка з них справді описує наш Всесвіт? Це чергова загадкатеорії струн Саме тому багато фізиків знову махнули рукою на «божевільну» теорію.

Але сама Головна проблемаструн, як було зазначено, у неможливості (принаймні, поки) довести їх наявність експериментальним шляхом.

Деякі вчені, однак, все ж таки подейкують, що на наступному поколінні прискорювачів є дуже мінімальна, але все ж таки можливість перевірити гіпотезу про додаткові виміри. Хоча більшість, звичайно, впевнена, що якщо це і можливо, то це станеться, на жаль, має ще дуже нескоро – як мінімум через десятиліття, як максимум – навіть через сотню років.

Ключові питання:

Які фундаментальні компоненти Всесвіту - «первоцеглини матерії»? Чи існують теорії, здатні пояснити усі основні фізичні явища?

Запитання: це реально?

На сьогоднішній день і в найближчому майбутньому, безпосереднє спостереження в таких малих масштабах неможливо. Фізика знаходиться в пошуку, і експерименти, наприклад, з виявлення суперсиметричних частинок або пошуку додаткових вимірювань на прискорювачах можуть вказати, що теорія струн знаходиться на вірному шляху.

Чи є теорія струн теорією всього, чи ні, вона дає нам у руки унікальний набір інструментів, що дозволяє заглянути в глибинні структури реальності.

Теорія струн

Макро та мікро

При описі Всесвіту, фізика ділить її на дві, здавалося б, несумісні половинки - квантовий мікросвіт, і макросвіт, в рамках якого описується гравітація.

Теорія струн це суперечлива спроба об'єднання цих половинок у «Теорію всього».

Частинки та взаємодії

Світ зроблений із двох видів елементарних частинок - ферміонів та бозонів. Ферміони це все спостерігається речовина, а бозони є переносниками чотирьох відомих фундаментальних взаємодій: слабкої, електромагнітної, сильної та гравітаційної. У рамках теорії, званої «Стандартною моделлю», фізикам вдалося витончено описати і перевірити три фундаментальні взаємодії всі, крім найслабшої - гравітаційної. На сьогоднішній день Стандартна модель є найбільш точною та експериментально підтвердженою моделлю нашого світу.

Навіщо потрібна теорія струн

Стандартна модель не включає гравітацію, не може описати центр чорної дірки та Великий вибух, не пояснює результати деяких експериментів. Теорія струн - це спроба вирішити ці проблеми та уніфікувати матерію та взаємодії, замінивши елементарні часткикрихітними вібруючими струнами.

В основі теорії струн лежить ідея, що всі елементарні частинки можна представити у вигляді одного елементарного «первоціпка» - струни. Струни можуть вібрувати, та різні модитаких коливаннях на великому видаленні будуть виглядати для нас як різні елементарні частинки. Одна мода вібрації змусить струну виглядати фотон, інша - як електрон.

Існує навіть мода, що описує переносник гравітаційної взаємодії - гравітон! Варіанти теорії струн описують струни двох видів: відкриті (1) та замкнуті (2). Відкриті струни мають два кінці (3), розташовані на мембрано-подібних структурах, званих D-бранами, та їх динамікою описуються три з чотирьох фундаментальних взаємодій - все, за винятком гравітаційного.

Замкнуті струни нагадують петлі, вони не прив'язані до D-бран - саме коливальні моди замкнутих струн видаються безмасовим гравітоном. Кінці відкритої струни можуть з'єднуватися, утворюючи замкнуту струну, яка, у свою чергу, може розриватися, перетворившись на відкриту, або зійтися і розщепитися на дві замкнуті струни (5) - таким чином теоретично гравітаційна взаємодія поєднується з усіма іншими

Струни - найменші з усіх об'єктів, якими оперує фізика. Діапазон розмірів V об'єктів, представлених на зображенні вище, простягається на 34 порядку - якби атом був розміром з сонячну систему, То розмір струни міг би бути трохи більшим за атомне ядро.

Додаткові виміри

Несуперечливі теорії струн можливі лише у просторі вищої розмірності, де на додаток до знайомих нам 4м просторово-часових вимірів потрібно 6 додаткових. Теоретики вважають, що ці додаткові виміри згорнуті в невловимо малі форми простору Калабі-Яу. Однією з проблем теорії струн є те, що існує майже нескінченна кількість варіантів згортки (ком пактификации) Калабі-Яу, що дозволяє описати який завгодно світ, і поки немає ніякої можливості знайти той варіант ком па ктифікації, який дозволяв би описати то що ми бачимо навколо.

Суперсиметрія

Більшість версій теорії струн вимагає поняття суперсиметрії, в основі якого лежить ідея про те, що ферміони (речовина) і бозони (взаємодії) суть є прояви одного і того ж об'єкта, і можуть перетворюватися один на одного.

Теорія всього?

Суперсиметрію до теорії струн можна включити 5ю у різний спосібщо призводить до 5 різним видамтеорії струн, з чого випливає, що сама собою теорія струн не може претендувати на звання «теорії всього». Всі ці п'ять видів пов'язані між собою математичними перетвореннями, званими дуальностями, і це привело до розуміння, що всі ці види є аспектами більш загального. Цю загальну теорію називають М-Теорією.

Відомо 5 різних формулюваньтеорії струн, проте при найближчому розгляді, з'ясовується, що всі вони є проявами більш загальної теорії

Екологія пізнання: Найбільша проблема у теоретичних фізиків - як поєднати всі фундаментальні взаємодії (гравітаційна, електромагнітна, слабка і сильна) в єдину теорію. Теорія суперструн якраз претендує на роль

Вважаємо від трьох до десяти

Найбільша проблема у теоретичних фізиків - як поєднати всі фундаментальні взаємодії (гравітаційна, електромагнітна, слабка і сильна) в єдину теорію. Теорія суперструн якраз претендує на роль Теорії Усього.

Але виявилося, що найзручніша кількість вимірювань, необхідна для роботи цієї теорії – цілих десять (дев'ять з яких – просторові, і одне – тимчасове)! Якщо вимірів більше чи менше, математичні рівняння дають ірраціональні результати, що йдуть у нескінченність – сингулярність.

Наступний етап розвитку теорії суперструн – М-теорія – нарахувала вже одинадцять розмірностей. А ще один її варіант – F-теорія – всі дванадцять. І це не ускладнення. F-теорія описує 12-мірний простір більш простими рівняннями, ніж М-теорія - 11-мірний.

Таких фігурок відомо понад 470 мільйонів. Яка з них відповідає нашій дійсності, зараз обчислюється. Нелегко це бути теоретичним фізиком.

Так, це здається трохи притягнутим за вуха. Але може саме цим і пояснюється, чому квантовий світ так відрізняється від сприйманого нами.

Крапка, крапка, кома

Спробуємо уявити, як бачать світ мешканці двовимірного простору. Наприклад, ось ці дві чоловічки:

Кожен з них побачить свого товариша таким:

А при такому розкладі:

Наші герої побачать один одного такими:

З цього погляду цікаво думати, наприклад, про гравітацію. Всі, напевно, бачили, подібні картинки:

Там прийнято зображати, як гравітація викривляє простір-час. Викривляє... куди? Точно в жодний зі знайомих нам вимірів. А квантове тунелювання, тобто, здатність частинки зникати в одному місці і з'являтися зовсім в іншому, причому за перешкодою, через яку в наших реаліях вона не змогла б проникнути, не зробивши в ньому дірку? А чорні дірки? А якщо всі ці та інші загадки сучасної науки пояснюються тим, що геометрія простору зовсім не така, якою ми звикли її сприймати?

Тикає годинник

Але бачимо лише проекцію, зріз цього виміру у кожен окремий час. Так-так, як брокколі в апараті МРТ.

Досі всі теорії працювали з великою кількістю просторових вимірів, а тимчасове завжди було єдиним. Але чому простір припускає появу множинних розмірностей для простору, але час лише один? Поки вчені не зможуть відповісти на це питання, гіпотеза про два або більше тимчасових просторів здаватиметься дуже привабливою для всіх філософів і фантастів. Та й фізикам, чого там. Скажімо, американський астрофізик Іцхак Барс коренем всіх бід з Теорією Усього бачить якраз упущений з уваги другий тимчасовий вимір. Як розумова вправа, спробуємо уявити собі світ із двома часом.

Що ще відрізняє двовимірний простір від одновимірного? Можливість оминати перешкоду, наприклад. Це вже зовсім за межами нашого розуму. Житель одновимірного світу не може уявити собі як це – завернути за ріг. Та й що це таке – кут у часі? Крім того, у двовимірному просторі можна подорожувати вперед, назад та хоч по діагоналі. Я без поняття як це пройти через час по діагоналі. Я вже не говорю про те, що час лежить в основі багатьох фізичних законів, і як зміниться фізика Всесвіту з появою ще одного тимчасового виміру, неможливо уявити. Але розмірковувати про це так цікаво!

Дуже велика енциклопедія

Інші виміри ще відкриті, існують лише у математичних моделях. Але можна спробувати уявити їх так.

Ті з вас, хто читав про переміщення в часі, знають, яку важливу роль у них відіграє викривлення просторово-часового континууму. Ось цей і є п'ятий вимір - саме в ньому «згинається» чотиривимірний простір-час, щоб зблизити дві якісь точки на цій прямій. Без цього подорож між цими точками була б надто тривалою, або взагалі неможливою. Грубо кажучи, п'яте вимір аналогічно другому - воно переміщає «одномірну» лінію простору-часу в «двовимірну» площину з усіма можливими загорнути за кут.

Наші особливо філософсько-налаштовані читачі трохи раніше, мабуть, задумалися про можливість вільної волі в умовах, де майбутнє вже існує, але поки що не відомо. Наука це питання відповідає так: ймовірності. Майбутнє - це не палиця, а цілий віник із можливих варіантів розвитку подій. Який з них здійсниться – дізнаємось коли доберемося.

Кожна з ймовірностей існує у вигляді "одномірного" відрізка на "площині" п'ятого виміру. Як найшвидше перескочити з одного відрізка на інший? Правильно – зігнути цю площину, як аркуш паперу. Куди зігнути? І знову правильно – у шостому вимірі, який надає всій цій складній структурі «обсяг». І, таким чином, робить її, подібно до тривимірного простору, «закінченою», новою точкою.