Теорія струн Лурк. Про що говорить теорія струн простою мовою? Модель Бранденберга та Вафи

Теорія суперструн

Коротко про теорію суперструн

Теорія ця виглядає настільки дико, що, цілком можливо, вона правильна!

Різні версії теорії струн сьогодні розглядаються як головні претенденти на звання всеосяжної універсальної теорії, що пояснює природу всього сущого. А це - свого роду Священний Грааль фізиків-теоретиків, які займаються теорією елементарних частинок та космології. Універсальна теорія (вона ж теорія всього сущого) містить всього кілька рівнянь, які поєднують у собі всю сукупність людських знань про характер взаємодій та властивості фундаментальних елементів матерії, з яких побудовано Всесвіт. Сьогодні теорію струн вдалося об'єднати з концепцією суперсиметрії, внаслідок чого народилася теорія суперструн, і на сьогоднішній день це максимум того, що вдалося досягти в плані об'єднання теорії всіх чотирьох основних взаємодій (діючих у природі сил). Сама по собі теорія суперсиметрії вже побудована на основі апріорної сучасної концепції, згідно з якою будь-яка дистанційна (польова) взаємодія обумовлена ​​обміном частинками-носіями взаємодії відповідного роду між взаємодіючими частинками (Стандартна модель). Для наочності взаємодіючі частки можна вважати «цеглинами» світобудови, а частинки-носії – цементом.

У рамках стандартної моделі в ролі цегли виступають кварки, а в ролі носіїв взаємодії - калібрувальні бозони, якими ці кварки обмінюються між собою Теорія ж суперсиметрії йде ще далі і стверджує, що й самі кварки та лептони не фундаментальні: всі вони складаються з ще більш важких і не відкритих експериментально структур (цеглинок) матерії, скріплених ще міцнішим «цементом» наденергетичних частинок-носіїв взаємодій, ніж кварки у складі адронів та бозонів. Звичайно, в лабораторних умовжодне з передбачень теорії суперсиметрії досі не перевірено, проте приховані гіпотетичні компоненти матеріального світу вже мають назви - наприклад, електрон(Суперсиметричний напарник електрона), скваркі т. д. Існування цих частинок, однак, теоріями такого роду передбачається однозначно.

Картину Всесвіту, пропоновану цими теоріями, проте, досить легко уявити наочно. У масштабах близько 10 -35 м, тобто на 20 порядків менше діаметра того ж протона, до складу якого входять три пов'язані кварки, структура матерії відрізняється від звичної нам навіть на рівні елементарних частинок. На настільки малих відстанях (і при настільки високих енергіях взаємодій, що це й уявити немислимо) матерія перетворюється на серію польових стоячих хвиль, подібних до тих, що порушуються в струнах музичних інструментів. Подібно до гітарної струни, в такій струні можуть збуджуватися, крім основного тону, безліч обертонівабо гармонік.Кожній гармоніці відповідає власний енергетичний стан. Згідно принципом відносності(Теорія відносності), енергія і маса еквівалентні, а значить, чим вище частота гармонійної хвильової вібрації струни, тим вище його енергія, і тим вище маса частки, що спостерігається.

Однак, якщо стоячу хвилю в гітарній струні уявити наочно досить просто, стоячі хвилі, пропоновані теорією суперструн наочному уявленню піддаються насилу - справа в тому, що коливання суперструн відбуваються в просторі, що має 11 вимірювань. Ми звикли до чотиривимірного простору, який містить три просторові та один тимчасовий вимір (вліво-вправо, вгору-вниз, вперед-назад, минуле-майбутнє). У просторі суперструн все набагато складніше (див. вставку). Фізики-теоретики обходять слизьку проблему «зайвих» просторових вимірів, стверджуючи, що вони «приховуються» (або, висловлюючись науковою мовою, «компактифікуються») і тому не спостерігаються при звичайних енергіях.

Зовсім уже нещодавно теорія струн отримала подальший розвитоку вигляді теорії багатовимірних мембран- по суті, це самі струни, але плоскі. Як схожий пожартував хтось із її авторів, мембрани відрізняються від струн приблизно тим же, чим локшина відрізняється від вермішелі.

Ось, мабуть, і все, що можна коротко розповісти про одну з теорій, не безпідставно претендують на сьогодні на звання універсальної теорії Великого об'єднання всіх силових взаємодій. На жаль, і ця теорія небезгрішна. Насамперед, вона досі не приведена до суворого математичного виглядучерез недостатність математичного апаратудля її приведення у сувору внутрішню відповідність. Пройшло вже 20 років, як ця теорія з'явилася на світ, а несуперечливо узгодити одні її аспекти та версії з іншими так нікому і не вдалося. Ще неприємніше те, що ніхто з теоретиків, що пропонують теорію струн (і, тим більше суперструн) досі не запропонував жодного досвіду, на якому ці теорії можна було б перевірити лабораторно. На жаль, боюся, що доти, доки вони цього не зроблять, вся їхня робота так і залишиться химерною грою фантазії та вправами в осягненні езотеричних знань за межами основного русла природознавства.

Введення в суперструни

переклад Сергія Павлюченка

Струнна теорія - одна з найбільш чудових і глибоких теорій у сучасній теоретичній фізиці. На жаль, це все ж таки досить важка для розуміння річ, зрозуміти яку можна лише з позицій квантової теорії поля. Не зашкодить розумінню і знання математики типу теорії груп, диференціальної геометрії і т.д. Таким чином, для більшості вона залишається "річчю в собі".

Це введення призначене всім, хто цікавиться як "читабельне" коротке введення в основні концепції струнної теорії. На жаль, нам доведеться платити строгістю та повнотою за доступність викладу. Сподіваємося, воно дасть Вам відповіді на найпростіші питання щодо струнної теорії, і Ви перейметеся красою цієї галузі науки.

Струнна теорія - область знань, що динамічно розвивається, і до цього дня; щодня приносить щось нове про неї. Поки ми не знаємо точно, чи описує струнна теорія наш Всесвіт і в яких межах. Але вона цілком може її описувати, що видно з цього огляду.

Оригінальна версія знаходиться на http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html.

Чому саме струнна теорія?

Характерний енергетичний масштаб для квантової гравітаціїназивається Планківською масоюі виражається через постійну Планка, швидкість світла та гравітаційну постійну наступним чином:

Можна припустити, що у своєму остаточному вигляді струнна теорія дасть відповіді на такі питання:

• Яким є походження відомих нам 4-х сил Природи?
• Чому маси та заряди частинок саме такі, які вони є?
• Чому ми живемо у просторі з чотирма просторовими вимірами?
• Яка природа простору-часу та гравітації?

  Основи струнної теорії

  Ми звикли думати про елементарні частинки (типу електрона) як про точкові 0-мірні об'єкти. Дещо загальнішим є поняття фундаментальних струняк 1-мірних об'єктів. Вони нескінченно тонкі, а довжина їхнього порядку. Але це просто мізерно мало в порівнянні з довжинами, з якими ми зазвичай маємо справу, тому можна вважати, що вони практично точкові. Але, як ми побачимо, їхня струнна природа досить важлива.

  Струни бувають відкритимиі замкнутими. Рухаючись у просторі-часі, вони покривають поверхню, яку називають світовим листом.

  

  Ці струни мають певні коливальні моди, які визначають властиві частинці квантові числа, такі, як маса, спин, тощо. Основна ідея полягає в тому, що кожна мода несе в собі набір квантових чисел, що відповідають певному типу частинок. Це і є остаточне об'єднання – всі частинки можуть бути описані через один об'єкт – струну!

  Як приклад розглянемо замкнуту струну, яка виглядає так:

  Така струна відповідає безмасовому гравітонузі спином 2 - частки, що переносить гравітаційну взаємодію. До речі, це одна з особливостей струнної теорії - вона природно і неминуче включає гравітацію як одне з фундаментальних взаємодій.

  Струни взаємодіють шляхом поділу та злиття. Наприклад, анігіляція двох замкнутих струн в одну замкнуту виглядає так:

  
  

  Зазначимо, що поверхня світового листа – гладка поверхня. З цього випливає ще одна "хороша" властивість струнної теорії - в ній немає ряду розбіжностей, властивих квантової теорії поля з точковими частинками. Фейнманівська діаграма для такого самого процесу

  

  містить топологічну сингулярність у точці взаємодії.

  Якщо ми "склеєм" дві найпростіші струнні взаємодії між собою, то отримаємо процес, в якому дві замкнуті струни взаємодіють через об'єднання в проміжну замкнуту струну, яка потім знову розпадається на дві:
  

  Цей основний внесок у процес взаємодії називається деревним наближенням. Для того, щоб обчислити квантовомеханічні амплітуди процесів використовуючи теорію обуреньдодають вклади від квантових процесів вищих порядків. Теорія обурень дає гарні результати, так як вклади стають дедалі меншими, коли ми використовуємо все більш вищі порядки. Навіть якщо обчислити лише перші кілька діаграм, можна отримати досить точні результати. У струнної теорії вищі порядки відповідають більшій кількості дірок (або "ручок") на світових аркушах.
  
  

  Добре в цьому підході те, що кожному порядку теорії обурення відповідає тільки одна діаграма (наприклад, в теорії поля з точковими частинками число діаграм зростає експоненційно у вищих порядках). Погано те, що точні розрахунки діаграм із більш ніж двома дірками дуже складні через складність математичного апарату, використовуваного під час роботи з подібними поверхнями. Теорія обурень дуже корисна при дослідженні процесів зі слабким зв'язком, і велика частина відкриттів у галузі фізики елементарних частинок і струнної теорії пов'язана саме з нею. Однак все це ще далеко від завершення. Відповіді на найглибші питання теорії можна буде отримати лише після того, як буде завершено точний описцієї теорії.

  D-брани

  У струн можуть бути цілком довільні умови на кордоні. Наприклад, замкнута струна має періодичні граничні умови (струна "переходить сама в себе"). У відкритих струн можуть бути два типи граничних умов - умови Нейманата умови Діріхле. У першому випадку кінець струни може вільно рухатися, щоправда, не забираючи при цьому імпульсу. У другому випадку кінець струни може рухатися по деякому різноманіттю. Це різноманіття і називається D-браноюабо Dp-браною(При використанні другого позначення "p" - ціле число, що характеризує кількість просторових вимірювань різноманіття). Приклад - дві струни, у яких один або обидва кінці закріплені на 2-мірній D-брані або D2-брані:

  

  D-брани можуть мати число просторових вимірів від -1 до числа просторових вимірів нашого простору-часу. Наприклад, в теорії суперструн 10 вимірів - 9 просторових і одне тимчасове. Таким чином, у суперструнах що максимум може існувати, це D9-брана. Зазначимо, що в цьому випадку кінці струн фіксовані на різноманітті, що покриває весь простір, тому вони можуть рухатися всюди, так що насправді накладено умову Неймана! У разі p=-1 всі просторові та часові координати фіксовані, і така конфігурація називається інстантономабо D-інстантоном. Якщо p=0, то всі просторові координати фіксовані, і кінець струни може існувати лише в одній єдиній точці у просторі, так що D0-брани найчастіше називають D-частинками. Абсолютно аналогічно D1-брани називають D-струнами. До речі, саме слово "брана" походить від слова "мембрана", яким називають 2-мірні брани, або 2-брани.

  Насправді D-лайки динамічні, вони можуть флуктуювати і рухатися. Наприклад, вони взаємодіють гравітаційно. На діаграмі нижче можна побачити, як одна замкнута струна (у нашому випадку гравітон) взаємодіє з D2-браною. Особливо варто відзначити той факт, що при взаємодії замкнута струна стає відкритою з обома кінцями на D-брані.
  
  
  Так що, струнна теорія це щось більше, ніж просто теорія струн!

  Додаткові виміри

  Суперструни існують у 10-мірному просторі-часі, у той час як ми живемо у 4-мірному. І якщо суперструни описують наш Всесвіт, нам необхідно якось зв'язати між собою два ці простори. Для цього згорнемо 6 вимірів до дуже маленького розміру. Якщо при цьому розмір компактного виміру виявиться порядку розміру струн (), то через небагато цього виміру просто не зможемо його безпосередньо побачити. Зрештою ми отримаємо наш (3+1)-мірний простір, в якому кожній точці нашого 4-мірного Всесвіту відповідає крихітний 6-мірний простір. Дуже схематично це представлено на малюнку знизу:

  

  Насправді це досить стара ідея, яка сягає робіт Калуци (Kaluza) та Клейна (Klein) 1920-х років. При цьому описаний вище механізм називають теорією Калуци-Клейнаабо компактифікацією. У самій роботі Калуци показано, що якщо ми візьмемо теорію відносності в 5-мірному просторі-часі, потім згорнемо один вимір в коло, то отримаємо 4-мірний простір-час з теорією відносності плюс електромагнетизм! А так виходить через те, що електромагнетизм це U(1) калібрувальна теорія. U(1) це група обертань навколо точки на площині. Механізм Калуци-Клейна дає просту геометричну інтерпретацію цього кола - це той самий згорнутий п'ятий вимір. Хоча згорнуті вимірювання і малі для прямого детектування, проте вони можуть мати глибокий фізичний зміст. [Зовсім випадково просочившись у пресу, робота Калуци та Клейна викликала багато розмов з приводу п'ятого виміру.]

  Як ми зможемо дізнатися, чи є насправді додаткові виміри і як ми зможемо їх "відчути", маючи прискорювачі з досить високими енергіями? З квантової механіки відомо, що й простір періодично, то імпульс квантований: , тоді як простір необмежено, то спектр значень імпульсу безперервний. Якщо зменшувати радіус компактифікації (розмір додаткових вимірювань), діапазон дозволених значень імпульсу буде збільшуватися. Так отримують вежу станів імпульсу – вежу Калуци Клейна.

  

  А якщо радіус кола взяти дуже великим ("декомпактифікуємо" вимір), то діапазон можливих значень імпульсу буде досить вузьким, але буде "майже безперервним". Такий спектр схожий на спектр мас світу без компактифікацій. Наприклад, безмасові в більшій кількостівимірювання стану в меншому числі вимірювань виглядатимуть саме як описана вище вежа станів. Тоді має спостерігатися "набір" частинок з масами, рівновідданими один від одного. Щоправда, для того, щоб "побачити" найпотужніші частинки, необхідні прискорювачі, значно кращі за ті, які ми зараз маємо.

  У струн є ще одне чудова властивість- вони можуть "намотуватися" на компактифікований вимір, що призводить до появи оборотних моду спектрі мас. Замкнена струна може обернутися навколо компактифікованого виміру цілу кількість разів. Аналогічно випадку Калуци-Клейна вони дають внесок у імпульс як . Істотна різниця полягає саме в іншому зв'язку з радіусом компактифікації. В цьому випадку для малих розмірів додаткових вимірів оборотні моди стають дуже легкими!
  
  

  Тепер нам необхідно перейти до нашого 4-мірного простору. Для цього нам потрібна 10-мірна суперструнна теорія на 6-мірному компактному різноманітті. Природно, що при цьому описана вище картина стає складнішою. Найпростіше покласти, що всі ці 6 вимірів - 6 кіл, таким чином всі вони є 6-мірним тором. Більше того, така схема дозволяє зберегти суперсиметрію. Вважається, що деяка суперсиметрія існує і в нашому 4-мірному просторі на енергетичних масштабах близько 1 ТеВ (саме на цих енергіях Останнім часомта шукають суперсиметрію на сучасних прискорювачах). Для того, щоб зберегти мінімальну суперсиметрію, N=1 у 4-мірії, компактифікувати треба на спеціальному 6-мірному різноманітті, що називається різноманітністю Калабі-Йо (Calabi-Yau manifold).

  Властивості різноманіття Калабі-Йо можуть мати важливі додатки до фізики низьких енергій - до частинок, які ми спостерігаємо, їх мас і квантових чисел, а також до поколінь частинок. Проблемою тут є те, що, взагалі кажучи, існує безліч різноманітностей Калабі-Йо, і ми не знаємо, яке з них треба використовувати. У цьому сенсі, маючи фактично одну 10-мірну струнну теорію ми отримуємо, що 4-мірна теорія стає зовсім не єдино можливою, принаймні, на нашому (ще неповному) рівні розуміння. "Струнні люди" (вчені, що працюють в галузі струнних теорій) покладають надії на те, що володіючи повною непертурбативною теорією струн (теорією, НЕ побудованою на обуреннях, описаних дещо вище), ми зможемо пояснити, як Всесвіт перейшов від 10- мірної фізики, яка, можливо, мала місце протягом високоенергетичного періоду одразу після Великого Вибуху, до 4-мірної, з якою ми маємо справу зараз. [Іншими словами, ми знайдемо єдине різноманіття Калабі-Йо.] Андрій Стромінгер (Andrew Strominger) показав, що різноманіття Калабі-Йо можна безперервно пов'язати один з одним через конічних перетворень (conifold transitions)і, таким чином, можна рухатися між різними різноманіттями Калабі-Йо, змінюючи параметри теорії. Але це передбачає можливість того, що різні 4-мірні теорії, що виникають від різних різноманітностей Калабі-Йо, є різними фазами однієї теорії.

  Дуальність

  П'ять описаних вище суперструнних теорій виявляються дуже різними з точки зору слабко-пов'язаної пертурбативної теорії (теорії збурень, розвиненої вище). Але насправді, як з'ясувалося останні кілька років, всі вони пов'язані між собою різними струнними дуальностями. Назвемо теорії дуальнимиякщо вони описують ту саму фізику.

  Перший тип дуальності, яку ми тут обговоримо, - Т-дуальність (T-duality). Такий тип дуальності пов'язує теорію, компактифіковану на колі радіуса, з теорією, компактифікованою на колі радіуса. Таким чином, якщо в одній теорії простір згорнуто в коло малого радіусу, то в іншій воно буде згорнуто в коло великого радіусу, але обидві вони описуватимуть одну і ту ж фізику! Суперструнні теорії типу IIA і типу IIB пов'язані через Т-дуальність, SO(32) і E8 x E8 гетеротичні теорії також пов'язані через неї.

  Ще одна дуальність, яку ми розглянемо S-дуальність. Простіше кажучи, ця дуальність пов'язує межу сильного зв'язку однієї теорії з межею слабкого зв'язку іншої теорії. (Зазначимо, що при цьому слабо пов'язані описи обох теорій можуть дуже відрізнятися.) Наприклад, SO(32) Гетеротична струнна теорія і теорія Типу I S-дуальні в 10-мерії. Це означає, що в межі сильного зв'язку SO(32) Гетеротична теорія переходить у теорію Типу I в межі слабкого зв'язку і навпаки. Знайти свідчення дуальності між сильним і слабким межами можна, порівнявши спектри легких станів у кожній з картин і виявивши, що вони узгоджуються між собою. Наприклад, у струнній теорії Типу I є D-струна, яка важка при слабкому зв'язку і легка при сильній. Ця D-струна переносить ті ж легкі поля, що і світовий лист SO(32) Гетеротичної струни, так що коли теорія Типу I дуже сильно пов'язана, D-струна стає дуже легкою, і ми просто побачимо, що опис стає таким же, як і через слабко пов'язану гетеротичну струну. Інший S-дуальністю в 10-мерії є самодуальність IIB струн: межа IIB струни це просто інша IIB теорія, але слабо пов'язана. У IIB теорії теж є D-струна (правда, більш суперсиметрична, ніж D-струни теорії Типу I, так що і фізика тут інша), яка стає легкою при сильному зв'язку, але ця D-струна також є іншою фундаментальною струною теорії ії Типу IIB.

  

  Дуальності між різними струнними теоріями є свідченням того, що всі вони просто різні межі однієї теорії. Кожна з меж має свою застосовність, і різні межі різних описів перетинаються. Що це за М-теорія, представлена ​​на зображенні? Читайте далі!

  М-теорія

  При низьких енергіях М-теорія описується теорією, званою 11-мірною супергравітацією. У цій теорії є мембрана і п'ятьбрана як солітони, але немає струн. Як же нам можна тут отримати струни, що вже полюбилися нам? Можна компактифікувати 11-мірну М-теорію на колі малого радіусу для отримання 10-вимірної теорії. Тоді якщо наша мембрана мала топологію тора, то згортаючи одне з цих кіл, ми отримаємо замкнуту струну! У межі, коли радіус дуже малий, ми отримуємо суперструну типу IIA.

  

  Але як ми дізнаємося, що М-теорія на колі дасть саме суперструну Типу IIA, а не IIB чи гетеротичні суперструни? Відповідь на це питання можна отримати після ретельного аналізу безмасових полів, які ми отримуємо внаслідок компактифікації 11-вимірної супергравітації на колі. Інший простою перевіркою може бути виявлення того, що D-брана з М-теорії унікальна для IIA теорії. Згадаємо, що IIA теорія містить D0, D2, D4, D6, D8-брани і NS п'ятьбрану. Наступна таблиця узагальнює все сказане вище:
  

  Тут опущені D6 та D8-брани. D6-брану можна проінтерпретувати як "монополь Калуци-Клейна", який є спеціальним рішенням 11-мірної супергравітації при компактифікації на коло. D8-брана не має ясної інтерпретації в термінах М-теорії, це все ще відкрите питання.

  Інший шлях для отримання узгодженої 10-мірної теорії - компактифікація М- теорії на маленький відрізок. Це означає, що ми припускаємо, що один із вимірів (11-е) має кінцеву довжину. При цьому кінці відрізка визначають межі 9 просторових вимірів. На цих межах можна збудувати відкриту мембрану. Так як перетин мембрани з кордоном - струна, то можна бачити, що (9+1)-мірний "світовий обсяг" (worldvolume) може містити струни, що "стирчать" з мембрани. Після всього цього, щоб уникнути аномалій, необхідно, щоб кожна з кордонів несла на собі калібрувальну групу E8. Отже, якщо зробимо простір між кордонами дуже маленьким, ми отримаємо 10-мірну теорію зі струнами та E8 x E8 калібрувальною групою. А це є E8 x E8 гетеротична струна!

  

  Таким чином, розглядаючи різні умови та різні дуальності між струнними теоріями, ми прийдемо до того, що в основі всього цього лежить одна теорія. М-теорія. При цьому п'ять суперструнних теорій та 11-мірна супергравітація є її класичними межами. Спочатку ми намагалися отримати відповідні квантові теорії, "розширюючи" класичні межі, використовуючи пертурбативну теорію (теорію обурень). Однак пертурбативна теорія має свої межі застосування, так що, вивчаючи непертурбативні аспекти цих теорій, використовуючи дуальності, суперсиметрію, і т.д. ми приходимо до висновку, що всі вони об'єднані однією єдиною квантовою теорією. Ця єдиність дуже приваблива, так що робота над побудовою повної квантової М-теорії йде повним ходом.
  
  

  Чорні діри

  Класичний опис гравітації - Загальна Теорія Відносності (ОТО) - містить рішення, звані "чорні дірки" (ЧД). Існує досить багато типів чорних дірок, але вони показують подібні загальні властивості. Горизонт подій це поверхня у просторі-часі, яка, простіше кажучи, відокремлює область усередині ЧД від області поза нею. Гравітаційне тяжінняЧД настільки велике, що ніщо, навіть світло, проникнувши під обрій, не може вирватися назад. Таким чином, класичні ЧД можуть бути описані лише за допомогою таких параметрів як маса, заряд і кутовий момент.

  (Пояснення діаграми Пенроуз а)

  Чорні діри - хороші лабораторії з вивчення струнних теорій, оскільки ефекти квантової гравітації важливі навіть для досить великих чорних дірок. Чорні дірки насправді не "чорні", оскільки вони випромінюють! Використовуючи напівкласичні аргументи Стівен Хокінг показав, що ЧД випромінюють теплове випромінювання зі свого горизонту. Оскільки струнна теорія, окрім іншого ще й теорія квантової гравітації, вона може узгоджено описати ЧД. А ще є ЧД, які задовольняють рівняння руху для струн. Ці рівняння схожі на рівняння з ОТО, але в них є деякі додаткові поля, що прийшли туди зі струн. У суперструнних теоріях є спеціальні рішення типу ЧД, які самі по собі ще й суперсиметричні.

  Одним з найдраматичніших результатів у струнній теорії був висновок формули для ентропії Бекенштейна-ХокінгаЧД, отриманий із розгляду мікроскопічних струнних станів, що формують ЧД. Бекенштейн зазначив, що ЧД підпорядковуються "закону площ", dM = K dA, де "A" - площа горизонту, а "K" - константа пропорційності. Так як повна маса ЧД це її енергія спокою, то ситуація дуже схожа на термодинаміку: dE = T dS, що показав Бекенштейн. Хокінг пізніше у напівкласичному наближенні показав, що температура ЧД дорівнює T = 4k, де "k" - константа, що називається "поверхневою гравітацією". Таким чином, ентропія ЧД може бути переписана як . Більше того, недавно Стромінгер (Strominger) і Вафа (Vafa) показали, що ця формула для ентропії може бути отримана мікроскопічно (аж до фактора 1/4), використовуючи виродження квантових станів струн і D-бран, відповідних певним суперсиметричним ЧД в струнної теорії ІІ. До речі, D-брани дають на малих відстанях опис як за слабкого зв'язку. Наприклад, ЧД, розглянуті Стромінгером і Вафою, описуються 5-бранами, 1-бранами і відкритими струнами, що "живуть" на 1-брані, всі згорнуті в 5-мірний тор, що ефективно дає 1-мірний об'єкт - ЧД.

  

  При цьому хокінгівське випромінювання можна описати в рамках цієї структури, але якщо відкриті струни можуть "подорожувати" в обох напрямках. Відкриті струни взаємодіють між собою і випромінювання випромінюється у формі замкнутих струн.

  

  Точні обчислення показують, що для одних і тих же типів ЧД струнна теорія дає ті ж прогнози, що і напівкласична супергравітація, включаючи нетривіальну поправку, яка залежить від частоти і називається "параметром сірості" ( greybody factor).

  Квантову гравітацію виявлено на Землі?
  

  << Вчера

  Завтра >>

  
  Пояснення:Чи існують окремі порції гравітації? Теорія, відома як квантова механіка, описує закони, яким підпорядковується Всесвіт на малих відстанях, у той час як Загальна теорія відносності Ейнштейна пояснює природу гравітації і Всесвіту. великих масштабах. Досі не було створено теорії, здатної об'єднати їх. Дослідження, нещодавно проведені у Франції, можливо, показали, що гравітація є квантовим полем. Стверджується, що гравітаційне поле Землівиявило свою квантову природу. В експерименті, здійсненому Валерієм Незвижевським з колегами в, було показано, що надхолодні нейтрони, що рухаються в полі тяжіння, виявляються лише на дискретних висотах. Вчені у всьому світі очікують незалежного підтвердження цих результатів. На малюнку показано у штучних кольорах поверхню, яка може утворитися при еволюції одномірної струни. Описуючи елементарні частинки як крихітні струни, багато фізиків працюють над створенням дійсно квантової теорії гравітації.

  (Прим. ред.: Описані в цій замітці експерименти Французьких та Російських фізиків, опубліковані в Nature, 415 , 297 (2002) не мають жодного відношення до квантової гравітації. Їхнє пояснення(як це авторами експериментів, так і наведене в журналі New Scientist і на сайті Physicsweb.org) зовсім інше.

  Експериментатори шукають нові сили, передбачені теоріями суперструн

  Дослідникам з Університету Колорадо (University of Colorado at Boulder) вдалося провести найчутливіший на даний час експеримент з оцінки гравітаційної взаємодії між масами, розділеними відстанню, яка лише вдвічі перевищує товщину людського волосся, але вони не спостерігали при цьому жодних передбачуваних нових сил.

  Отримані результати дозволяють виключити деякі варіанти теорії суперструн, в яких відповідний параметр впливу нових сил з "згорнутих" вимірювань знаходиться в діапазоні від 0,1 до 0,01 мм.

  У теорії струн або суперструн, стрінгів (string theory), яку вважають найперспективнішим підходом до довгоочікуваного великого об'єднання - єдиного опису всіх відомих сил і матерії, передбачається, що все у Всесвіті складено з крихітних петель вібруючих струн. Згідно з різними варіантами теорії суперструн, повинні існувати ще принаймні шість-сім додаткових просторових вимірювань, крім тих трьох, які для нас доступні, і теоретики вважають, що ці додаткові вимірювання згорнуті в маленькі простори. Ця "компактифікація" ("compactification") породжує те, що називають областями модулі (moduli fields), які описують розмір та форму згорнутих вимірювань у кожній точці простору-часу.

  Області модулі впливають, порівняні за силою зі звичайною гравітацією, і згідно з недавніми передбаченнями, вони можуть бути виявлені вже на відстанях близько 0,1 мм. Межа чутливості, досягнута в попередніх експериментах, дозволяла перевірити силу тяжіння між двома масами, розведеними лише на 0,2 мм, тому питання залишалося відкритим. Проте відкритим він залишається і зараз.

  "Якщо ці сили справді існують, то ми тепер знаємо, що вони повинні виявлятися на менших відстанях, ніж ми перевіряли, - пояснює керівник лабораторії, професор Університету Колорадо Джон Прайс (John Price). - Проте ці результати самі по собі не спростовують теор ІІ. Необхідно тільки мати на увазі, що ефект доведеться шукати на більш коротких відстанях і використовувати установки з більш високою чутливістю. Крім того, дослідники запевняють, що подібні експерименти самі по собі і не призначені для того, щоб підтверджувати або спростовувати теорію суперструн. "Ідеї, які ми перевіряємо - це лише деякі можливі сценарії, Натхненні струнами, а не точні передбачення власне самої теорії, - заявив Джон Прайс в інтерв'ю Space.com. - Поки що для струнної теорії немає ніякої можливості зробити точні передбачення такого роду, і я сказав би, що ніхто не знає, чи буде струнна теорія коли-небудь здатна до цього". Втім, експерименти на менших відстанях можуть все ж таки " додати більше латок до пледи фізики", і тому дуже важливо продовжувати такого роду дослідження, тому що "щось нове і "дуже фундаментальне" може бути виявлено".

  Експериментальна установка дослідників з Університету Колорадо, названа високочастотним резонатором (high-frequency resonator), була двома тонкими вольфрамовими пластинками (довжиною 20 мм і товщиною 0,3 мм). Одну з цих платівок змусили вагатися із частотою 1000 Гц. Рухи другої платівки, спричинені впливом першої, замірялися дуже чутливою електронікою. Йдеться про сили, що вимірюються у фемтоньютонах (10 –15 н), або про одну мільйонну частину ваги піщинки. Сила тяжіння, що діє на таких невеликих відстанях, виявилася цілком традиційною, яка описується відомим законом Ньютона.

  Професор Прайс має намір продовжити експерименти, щоб спробувати виміряти сили на ще більш коротких відстанях. Щоб зробити наступний крок, колорадські експериментатори видаляють покритий золотом сапфіровий екран між вольфрамовими смужками, який блокував електромагнітні сили, і замінюють його тоншою мідно-берилієвою фольгою, дозволяючи масам зблизитися сильніше. Вони також планують охолодити експериментальне встановлення, щоб зменшити перешкоди від теплових коливань.

  Безвідносно до долі теорії суперструн, ідеї додаткових вимірів, введені в ужиток майже сто років тому (тоді над ними потішалися багато фізиків) стають надзвичайно популярними у зв'язку з кризою стандартних фізичних моделей, не здатних пояснити нові спостереження. Серед найбільш кричучих фактів - прискорене розширення Всесвіту, що має безліч підтверджень. Таємнича нова сила, названа поки що темною енергією (dark energy), розштовхує наш космос, діючи подібно до якоїсь антигравітації. Ніхто не знає, що за фізичне явищележить в основі цього. Що космологи дійсно знають, так це те, що в той час як гравітація скріплює галактики на "локальному" рівні, таємничі сили розштовхують їх у б про ших масштабах.

  Темна енергія може бути пояснена взаємодіями між вимірами, тими, що ми бачимо, і тими, що поки що від нас приховані, вважають деякі теоретики. На щорічній зустрічі AAAS (American Association for the Advancement of Science (Американської асоціації розвитку науки), проведеної в Денвері на початку місяця, найавторитетніші космологи та фізики висловлювали з цього приводу обережний оптимізм.

  "Є невиразна надія, що новий підхіддозволить вирішити весь комплекс проблем одразу", - каже фізик Шон Керрол (Sean Carroll), доцент з університету Чикаго.

  Всі ці проблеми неминуче групуються навколо гравітації, сила якої була розрахована ще Ньютон понад три століття тому. Гравітація була першою з фундаментальних сил, описаної математично, але вона все ще найбільш погано вивчена. Розроблена в 20-х роках минулого століття квантова механіка добре описує поведінку об'єктів на атомному рівні, але не дуже "дружить" з гравітацією. Справа в тому, що хоча гравітація і діє на великих відстанях, все ж таки вона дуже слабка в порівнянні з іншими трьома фундаментальними силами (електромагнітні, сильні та слабкі взаємодії, які панують у мікросвіті). Розуміння гравітації на квантовому рівні, як очікується, зв'яже квантову механіку з повним описом інших сил.

  Зокрема, вчені довго не могли визначити, чи дійсний закон Ньютона (зворотна пропорційність сили квадрату відстані) на дуже маленьких відстанях, у так званому квантовому світі. Ньютон розвивав свою теорію для астрономічних відстаней, на кшталт взаємодій Сонця з планетами, але тепер виявилося, що він дієвий і в мікросвіті.

  "Те, що відбувається прямо зараз у фізиці елементарних частинок, гравітаційної фізики та космології, дуже нагадує той час, коли квантова механіка почала об'єднуватися", - каже Марія Спіропалу (Maria Spiropulu), дослідник з університету Чикаго, організатор семінару AAAS з фізики додаткових вимірювань (Physics of extra dimensions).

  Вперше вдалося виміряти швидкість гравітації

  

  Російський фізик Сергій Копєйкін, який працює в Університеті Міссурі в Колумбії і американець Едвард Фомалонт (Edward Fomalont) з Національної радіоастрономічної обсерваторії в Шарлоттсвіллі (National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville), Вірджинія. Їхній експеримент підтверджує думку більшості фізиків: швидкість гравітації дорівнює швидкості світла. Це уявлення лежить в основі сучасних теорій, у тому числі і Загальної теорії відносності Ейнштейна, але досі нікому не вдавалося виміряти цю величину безпосередньо в експерименті. Дослідження було оприлюднено у вівторок на 201 конференції Американського астрономічного товариства (American Astronomical Society) у Сіетлі. Результати були представлені раніше для публікації в науковий журнал, але були розкритиковані деякими фахівцями. Сам Копєйкін вважає критику необґрунтованою.

  Теорія тяжіння Ньютона виходить із того, що вплив сили тяжіння передається миттєво, але Ейнштейн припустив, що гравітація подорожує зі швидкістю світла. Цей постулат став однією з основ його теорії відносності 1915 року.

  Рівність швидкості гравітації і швидкості світла означає, що, якби Сонце раптово зникло з центру Сонячної системи, Земля залишалася б на своїй орбіті протягом приблизно 8,3 хвилин - такий час потрібен світла, щоб дістатися від Сонця до Землі. Через ці кілька хвилин Земля, відчувши визволення від сонячної гравітації, покинула б свою орбіту і полетіла геть у космос по прямій.

  Як можна виміряти "швидкість тяжкості"? Один із шляхів вирішення цієї проблеми полягає в тому, щоб спробувати виявити гравітаційні хвилі - невелику "брижі" в просторово-часовому континуумі, яка розходиться від будь-яких мас, що рухаються з прискоренням. Різні установки для уловлювання гравітаційних хвиль побудовані вже у безлічі, але жодна з них досі не змогла зареєструвати подібний ефект через виняткову його слабкість.

  Копєйкін пішов іншим шляхом. Він переписав рівняння Загальної теорії відносності таким чином, щоб висловити поле тяжіння тіла, що рухається в термінах його маси, швидкості і швидкості гравітації. Як масивне тіло вирішено було використовувати Юпітер. Досить рідкісний випадок представився у вересні 2002 року, коли Юпітер проходив перед квазаром (такі події відбуваються приблизно раз на 10 років), що інтенсивно випускає радіохвилі. Копєйкін і Фомалонт скомбінували результати спостережень від десятка радіотелескопів у різних частинах земної кулі, від Гаваїв до Німеччини (використовувалися як 25-метрові радіотелескопи Національної радіоастрономічної обсерваторії, так і 100-метровий німецький інструмент в Еффельсберзі), щоб виміряти найменшу видиму зміну позиції квазара, викликану вигином радіохвиль від цього джерела в поле тяг. Досліджуючи характер впливу поля тяжіння Юпітера на радіохвилі, що проходять при знанні його маси і швидкості руху, можна обчислити швидкість гравітації.

  Спільна робота земних радіотелескопів дозволила досягти точності в 100 разів більше, ніж це можна досягти за допомогою космічного телескопа "Хаббл". Зміщення, що вимірюються в експерименті, були дуже крихітними - зміни в положенні квазара (вимірювалася кутова відстань між ним та квазаром-еталоном) були в межах 50 мільйонних арксекунди. Еквівалентом таких вимірювань може бути величина срібного долара на Місяці або товщина людського волосся з відстані 250 миль, кажуть астрономи (західні джерела, мабуть, не здогадалися звернути увагу на значення російського прізвища одного з авторів досліджень, інакше вони порівнювали б розміри не з доларом, а з нашою грошовою одиницею...).

  Отриманий результат: сила тяжіння передається з 0,95 швидкості світла, можлива помилка експерименту становить плюс-мінус 0,25. "Ми тепер знаємо, що швидкість гравітації, ймовірно, дорівнює швидкості світла, - сказав Фомалонт. - І ми можемо впевнено виключити будь-який результат, який вдвічі перевищить цю величину".

  Стівен Карліп (Steven Carlip), професор фізики з Каліфорнійського університету, вважає експеримент "хорошою демонстрацією" принципу Ейнштейна. Він каже, що експеримент передували вимірювання відхилення світла Сонцем, але вони були набагато менш точними. Причому нові виміри гравітаційної швидкості у найближчому майбутньому мають уточнити і це значення. Безліч інтерферометрів гравітаційних хвиль було введено в дію за останні місяці, який-небудь з них повинен нарешті виявити гравітаційні хвилі безпосередньо і таким чином виміряти їхню швидкість - важливу фундаментальну константу нашого Всесвіту.

  Втім, необхідно помітити, що сам по собі експеримент не є однозначним підтвердженням саме ейнштейнівської теорії гравітації. З тим самим успіхом його можна вважати підтвердженням існуючих альтернативних теорій. Наприклад, релятивістська теорія гравітації академіка Логунова (РТГ), що стала відомою широкому загалу років десять тому, в цьому з ЗТО не розходиться. Є в РТГ і гравітаційні хвилі, хоча, як відомо, немає чорних дірок. А чергове "спростування" теорії гравітації Ньютона особливої ​​цінності не має. Проте результат важливий з точки зору "закриття" деяких варіантів сучасних теорій та підтримки інших - він пов'язаний з космологічними теоріями множинних всесвітів і так званої теорії струн або суперструн, але дуже рано робити остаточні висновки, вважають дослідники. У новітній так званій єдиній М-теорії, що є розвитком теорії суперструн, крім "струн" ("стрінгів" - strings) з'явилися нові багатовимірні об'єкти - брани (brane). Суперстрінгові теорії за своєю природою включають гравітацію, оскільки вироблені на їх основі розрахунки незмінно передбачають існування гравітону, невагомої гіпотетичної частинки зі спином, рівним 2. Передбачається, що існують додаткові просторові вимірювання, тільки "згорнуті". І гравітація могла б впливати "коротким шляхом" через ці додаткові виміри, на перший погляд подорожуючи швидше швидкостісвітла, але не порушуючи при цьому рівняння Загальної теорії відносності.

  Два фізики-релятиви ста представляють свої точки зору на Всесвіт,
  її еволюцію і роль квантової теорії

  У Scientific Americanдані лекції були опубліковані зі скороченнями, відповідні місця в тексті зазначеними крапками

  Вступ

  У 1994 Стівен Хокінг і Роджер Пенроуз прочитали цикл публічних лекційза загальною теорією відносності в Інституті Математичних Наук імені Ісаака Ньютона при Кембриджському університеті. Наш журнал представляє вам витяг з цих лекцій, випущених цього року видавництвом Princeton University Press під назвою "Природа простору та часу", які дозволяють порівняти погляди цих двох вчених. Хоча обидва вони і належать до однієї школи у фізиці (Пенроуз асистував докторську дисертацію Хокінга в Кембриджі), їхні погляди на роль квантової механіки в еволюції всесвіту відрізняються один від одного. Зокрема Хокінг і Пенроуз мають різні уявлення про те, що відбувається з інформацією, запасеною в чорній дірі і чому початок всесвіту відрізняється від кінця.

  Одне з головних відкриттів Хокінга, зроблених ним у 1973 році, було передбачення того, що внаслідок квантових ефектів чорні дірки можуть випускати частки. В результаті такого процесу чорна діра випаровується, і зрештою можливо, що від її первісної маси нічого не залишиться. Але протягом свого формування чорні дірки поглинають безліч часток, що падають на неї, мають різні типи, властивості та конфігурації. Хоча квантова теорія вимагає, щоб подібна інформація була збережена, подробиці того, що ж відбувається з нею далі, залишаються темою для бурхливих дебатів. Хокінг і Пенроуз обидва вважають, що під час випромінювання чорна діра втрачає інформацію, яку вона містила в собі. Але Хокінг завзято стверджує, що ця втрата непоправна, тоді як Пенроуз доводить, що вона збалансована спонтанними вимірами квантових станів, які вводять інформацію усередину чорної діри.

  Обидва вчені погоджуються з тим, що майбутня теорія квантової гравітації необхідна для опису природи. Але їхні погляди відрізняються на деякі аспекти цієї теорії. Пенроуз вважає, що навіть якщо фундаментальні взаємодії елементарних частинок симетричні стосовно обігу часу, квантова гравітація повинна порушувати таку симетрію. Тимчасова асиметрія повинна тоді пояснити, чому на початку всесвіт був такий однорідний (як показує мікрохвильове фонове випромінювання, народжене великим вибухом), тоді як наприкінці всесвіт має бути неоднорідним.

  Пенроуз намагається включити подібну асиметрію до своєї гіпотези у Вейлівської кривизни. Простір-час, згідно з Альбертом Ейнштейном, викривлений присутністю матерії. Але простір-час може мати деяку внутрішньо властиву йому деформацію, що позначається як Вейлівська кривизна. Гравітаційні хвилі та чорні дірки, наприклад, дозволяють простору-часу викривлятися навіть у тих областях, які є порожніми. У ранньому всесвіті Вейлівська кривизна була ймовірно дорівнює нулю, але в згасаючому всесвіті, як доводить Пенроуз, велика кількістьчорних дірок призведе до зростання Вейлівської кривизни. У цьому й полягатиме різниця між початком і кінцем всесвіту.

  Хокінг погоджується, що великий вибух і заключний колапс ("Big crunch") будуть різні, але він не розглядає асиметрію часу як закон природи. Основною ж причиною для цієї відмінності, як він вважає, є той шлях, на який запрограмовано розвиток всесвіту. Він постулює свого роду демократію, заявляючи, що у всесвіті може бути виділеної просторової точки; і тому всесвіт не може мати кордон. Саме ця пропозиція про відсутність кордону, як стверджує Хокінг, пояснює однорідність мікрохвильового фонового випромінювання.

  Погляди обох фізиків на інтерпретацію квантової механіки також докорінно розходяться. Хокінг вважає, що єдине призначення теорії - давати передбачення, які узгоджуються з досвідченими даними. Пенроуз ж вважає, що просте порівняння передбачень з експериментами замало пояснення дійсності. Він вказує, що квантова теорія, що вимагає суперпозиції хвильових функцій, є концепція, яка може призводити до безглуздості. Ці вчені таким чином зводять на новий виток відому дискусію Ейнштейна і Бора з приводу химерних наслідків квантової теорії.

  Стівен Хокінг про квантові чорні діри:

  Квантова теорія чорних дірок ..., здається, призводить до нового рівня непередбачуваності у фізиці крім звичайної квантовомеханічної невизначеності. Це відбувається завдяки тому, що чорні дірки, здається, мають внутрішню ентропію та втрачають інформацію з нашої області всесвіту. Я маю сказати, що ці вимоги дуже суперечливі: багато вчених, які працюють у галузі квантової гравітації, включаючи майже всіх тих, хто прийшов до неї з фізики елементарних частинок, інстинктивно відхиляють ідею, що інформація про стан квантової системи може бути втрачена. Однак, така думка не привела до великого успіху у поясненні того, яким чином інформація може залишати чорну дірку. Зрештою я вважаю, що вони будуть змушені прийняти мою пропозицію, що інформація безповоротно втрачається, також, як вони були змушені погодитися, що чорні діри випромінюють, що суперечить усім їхнім упередженням.

  Той факт, що гравітація є привабливою, означає, що у всесвіті має місце тенденція стягування матерії в одному місці, тенденція до формування об'єктів подібних до зірок і галактик. Подальше стиснення цих об'єктів може деякий час стримуватись тепловим тиском, у випадку зірок, або обертанням та внутрішніми рухами, у разі галактик. Однак, зрештою теплота або кутовий імпульс будуть віднесені геть, і об'єкт знову почне стискатися. Якщо маса менша, ніж приблизно півтори маси Сонця, стиск може бути зупинено тиском виродженого газу електронів або нейтронів. Об'єкт стабілізується, щоб стати білим карликом чи нейтронною зіркою, відповідно. Однак, якщо маса більша за цю межу, то вже немає нічого, що могло б зупинити неухильне стиснення. Як тільки стиснення об'єкта наблизиться до деякого критичного розміру, поле тяжіння на його поверхні буде настільки сильно, що світлові конуси будуть нахилені всередину. світлові променівигнуті у напрямку один до одного, так що вони зближуються, а не розходяться. Це означає, що є деяка закрита поверхня.

  Таким чином повинна існувати область простору-часу, з якої неможливо вирватися на нескінченну відстань. Ця область називається чорною діркою. Її межа називається горизонтом подій, вона є поверхнею, сформованою світловими променями, не здатними вирватися до нескінченності.

  Велика кількість інформації втрачається, коли космічне тілоколапсує, щоб утворити чорну дірку. Колапсуючий об'єкт описується дуже великою кількістю параметрів. Його стан визначаються видами речовини та мультипольними моментами розподілу їх мас. Незважаючи на це чорна діра, що формується, зовсім не залежить від виду речовини і швидко втрачає всі мультипольні моменти крім перших двох: монопольного, який є масою, і дипольного, який є моментом імпульсу.

  Ця втрата інформації дійсно не мала значення в класичній теорії. Можна сказати, що вся інформація щодо об'єкта, що колапсує, виявляється всередині чорної дірки. Для спостерігача, що знаходиться поза чорною діркою, було б дуже важко визначити, на що схожий об'єкт, що колапсує. Однак, у класичній теорії це було все ще можливо в принципі. Спостерігач ніколи фактично не втрачав би на увазі колапсуючий об'єкт. Замість цього, йому здавалося б, що об'єкт сповільнюється у своєму стисканні і стає дедалі тьмянішим, у міру його наближення до горизонту подій. Цей спостерігач все ще міг бачити з чого складається колапсуючий об'єкт і як у ньому розподілено масу.

  Проте, з погляду квантової теорії все повністю змінюється. Протягом колапсу об'єкт випустив би лише обмежену кількість фотонів, перш ніж перетнути обрій подій. Цих фотонів було б абсолютно недостатньо, щоб передати нам всю інформацію щодо колапсуючого об'єкта. Це означає, що в квантовій теорії не існує ніякого способу, яким зовнішній спостерігач міг би визначити стан такого об'єкта. Можна було б подумати, що це не має надто великого значення, тому що інформація буде все ще всередині чорної діри, навіть якщо її неможливо виміряти ззовні. Але це якраз той випадок, де проявляється другий ефект квантової теорії чорних дірок.

  Квантова теорія змушує чорні діри випромінювати і втрачати масу. І мабуть вони зрештою зникають повністю - разом з інформацією всередині них. Я хочу навести аргументи на користь того, що ця інформація дійсно губиться і не повертається у будь-якій формі. Як я покажу далі, з цією втратою інформації до фізики входить невизначеність вищого рівня, ніж звичайна невизначеність, пов'язана з квантовою теорією. На жаль, на відміну від співвідношення невизначеності Гейзенберга, цей новий рівень невизначеності буде досить важко підтвердити експериментально у разі чорних дірок.

  Роджер Пенроуз про квантову теорію і простір-час:

  Квантова теорія, спеціальна теорія відносності, загальна теорія відносності та квантова теорія поля - найбільші фізичні теорії 20-го століття. Ці теорії не незалежні від один одного: загальна теорія відносності була побудована на основі спеціальної теорії відносності, а квантова теорія поля має спеціальну теорію відносності і квантову теорію як свою основу.

  Зазвичай говорилося, що квантова теорія поля - найбільш точна з усіх коли-небудь існуючих фізичних теорій, що дає точність до 11 знаків після коми. Однак, я хотів би вказати, що загальна теорія відносності в даний час перевірена з точністю до 14 знаків після коми (і ця точність очевидно обмежена тільки точністю годинника, що йде на Землі). Я маю на увазі бінарний пульсар Hulse-Taylor PSR 1913+16, пара нейтронних зірок, що обертаються одна щодо одної, одна з яких - пульсар. Загальна теорія відносності передбачає, що подібна орбіта повільно стискається (а її період зменшується), тому що відбувається втрата енергії внаслідок випромінювання гравітаційних хвиль. Цей процес дійсно був зафіксований експериментально, а повний опис його руху, що спостерігається протягом 20 років... знаходиться у згоді із загальною теорією відносності (яка включає Ньютонівську теорію) з чудовою точністю, зазначеною вище. Дослідники цієї зіркової системи з права отримали Нобелівські премії за свою роботу. Квантові теоретики завжди стверджували, посилаючись на точність їх теорії, що загальна теорія відносності повинна брати з неї приклад, але я думаю тепер, що приклад має брати квантова теорія поля.

  Хоча ці чотири теорії досягли великих успіхів, Але і вони не вільні від проблем .... Загальна теорія відносності передбачає існування сингулярностей простору-часу. У квантовій теорії є "проблема вимірювання", я опишу її пізніше. Може виявитися, що вирішення проблем цих теорій полягає у визнанні того факту, що вони є неповними теоріями. Наприклад, багато хто сподівається, що квантова теорія поля могла б якимось способом "розмазати" сингулярності загальної теорії відносності.

  А тепер я хотів би сказати кілька слів щодо втрати інформації в чорних дірах, яка, як я вважаю, має відношення до останнього твердження. Я погоджуюсь майже з усім, що на це сказав Стівен. Але в той час як Стівен розцінює втрату інформації в чорних дірах як нову невизначеність у фізиці, вищого рівня, ніж квантовомеханічна невизначеність, то я ж розглядаю її як лише "додаткову" невизначеність.... Можливо, що невелика кількість інформації втрачається в час випаровування чорної діри... але цей ефект буде набагато меншим, ніж втрата інформації під час колапсу (для опису якого я приймаю будь-яку розумну картину заключного зникнення чорної діри).

  Як уявний експеримент розглянемо замкнуту системуу великій ящику і розглянемо рух матерії всередині ящика у фазовому просторі. В областях фазового простору, що відповідають місцезнаходженням чорної діри, траєкторії, що описують фізичну еволюцію системи будуть сходитися, і фазові обсяги, що заповнюються цими траєкторіями, скорочуватимуться. Це відбувається внаслідок втрати інформації у сингулярності чорної дірки. Дане скорочення перебуває у прямому протиріччі із законом класичної механіки, відомим як теор ема Ліувіля, яка стверджує, що фазові об'єми, що переносяться фазовими траєкторіями залишаються постійними.... Таким чином простір-час чорної діри порушує збереження таких обсягів. Однак, у моїй картині, ця втрата обсягу фазового простору збалансована процесом спонтанних квантових вимірювань, в результаті яких відбувається відновлення інформації та збільшення обсягу фазового простору. Як розумію це я, так відбувається тому, що невизначеність, пов'язана зі втратою інформації в чорних дірах, є як би "додатковою" до квантовомеханічної невизначеності: кожна з них - лише одна сторона однієї монети.

  А тепер давайте розглянемо уявний експериментз котом Шредінгера. Він описує незавидне становище кота в ящику, в якому випущений фотон падає на напівпрозоре дзеркало, а передана частина його функції хвильової реєструється датчиком. Якщо датчик виявляє фотон, спрацьовує пістолет, що вбиває кота. Якщо датчик не виявляє фотон, то кіт залишається живим і здоровим. (Я знаю, що Стівен не схвалює погане поводження з котами, навіть у уявних експериментах!) Хвильова функція такої системи є суперпозицією цих двох можливостей. а чи не макроскопічні суперпозиції таких станів? ...

  Я припускаю, що із залученням загальної теорії відносності, використання суперпозицій альтернативних геометрій простору-часу стикається з серйозними труднощами. Можливо, суперпозиція двох різних геометрій нестабільна і розпадається в одну з цих двох альтернатив. Такими геометріями могли б бути, наприклад, простір та час живого чи мертвого кота. Для позначення цього розпаду суперпозиції в один із альтернативних станів я використовую термін об'єктивна редукція, який мені подобається, тому що має гарний акронім (OR). Який стосунок до цього має планківська довжина 10-33 сантиметри? Така довжина є природним критерієм визначення того, чи є геометрії дійсно різними світами. Планковський масштаб визначає і тимчасової масштаб, у якому відбувається редукція в різні альтернативи.

  Хокінг про квантову космологію:

  Я закінчую цю лекцію обговоренням питання, з якого Роджер і я маємо різні погляди - це стріла часу. Є дуже ясна різниця між прямим та зворотним напрямками часу у нашій частині всесвіту. Достатньо прокрутити назад будь-який фільм, щоб побачити цю різницю. Замість чашок, що падають зі столу і розсипаються на дрібні шматочки, ми бачили б, як ці уламки знову збираються разом і схоплюються назад на стіл. Хіба реальне життясхожа не щось подібне?

  Локальні закони фізичних полів задовольняють вимогу симетрії в часі, або якщо бути більш точним CPT-інваріантності (Charge-Parity-Time - Заряд-парність-час). Таким чином, різниця між минулим і майбутнім походить від граничних умов всесвіту. Розглянемо модель, в якій просторово замкнутий всесвіт розширюється до максимального розміру, після чого знову колапсує. Як підкреслив Роджер, всесвіт буде сильно різниться в кінцевих пунктах цієї історії. На своєму початку всесвіт, як ми тепер думаємо, буде досить гладким і регулярним. Однак коли вона почне знову колапсувати, ми очікуємо, що вона буде надзвичайно безладна і нерегулярна. Оскільки безладних конфігурацій набагато більше, ніж упорядкованих, це означає, що початкові умови мають бути обрані надзвичайно точно.

  Внаслідок цього граничні умови мають бути різними у ці моменти часу. Припущення Роджера у тому, що Вейлевський тензор повинен звернутися нанівець лише у одному з кінців часу. Вейлівський тензор - та частина кривизни простору-часу, яка визначається локальним розподілом матерії через рівняння Ейнштейна. Ця кривизна надзвичайно мала в упорядкованій ранній стадії, і дуже велика в колапсуючому всесвіті. Таким чином, ця пропозиція дозволила б нам відрізнити обидва кінці часу один від одного і пояснити існування стріли часу.

  Я думаю, що пропозиція Роджера є Вейлевським у двох сенсах цього слова. По-перше, воно – не CPT-інваріантне. Роджер розглядає цю властивість як гідність, але як я відчуваю, не потрібно відмовлятися від симетрій без досить вагомих причин. По-друге, якби Вейлевський тензор дорівнював нулю на ранній стадії всесвіту, то вона залишалася б однорідною і ізотропною протягом усього наступного часу. Вейлівська гіпотеза Роджера не може пояснювати ні флуктуації мікрохвильового фону, ні обурення, які викликають галактики і тіла, подібні нам самим.

  Незважаючи на все це, я думаю, що Роджер вказав на дуже важливу різницю між цими двома межами часу. Але факт, що небагато Вейлівського тензора в одному з кордонів, не повинно прийматися нами ad hoc, а має бути отримане з фундаментальнішого принципу "відсутності кордонів" ....

  Яким чином два часові кордони можуть бути різними? Чому обурення мають бути малі в одній із них, але не в іншій? Причина цього в тому, що рівняння поля мають два можливі комплексних рішень.... Очевидно, що одне рішення відповідає одній межі часу, а інше - інший.... В одному кінці часу, всесвіт був дуже гладким, і Вейлівський тензор - малий. Однак, точно він не міг дорівнювати нулю, оскільки це призводить до порушення співвідношення невизначеності. Натомість повинні мати місце невеликі флуктуації, які пізніше можуть перетворитися на галактики та тіла, подібно до нас самих. На противагу початку, кінець всесвіту має бути дуже нерегулярним і хаотичним, а Вейлівський тензор дуже великим. Це пояснило б чому має місце стріла часу і чому чашки падають зі столу та розбиваються набагато охочіше, ніж відновлюються та схоплюються назад.

  Пенроуз про квантову космологію:

  З того, що я зрозумів у концепції Стівена, я роблю висновок, що наші розбіжності з даного питання (Вейлівська гіпотеза кривизни) надзвичайно великі... Для початкової сингулярності Вейлівська кривизна є нульовою.... Стівен сперечався, що в початковому стані повинні мати місце маленькі квантові флуктуації, і тому гіпотеза про нульову Вейлівську кривизну є класичною і неприйнятною. Але я думаю, що є певна свобода щодо точного формулювання цієї гіпотези. Маленькі обурення звичайно ж прийнятні на мій погляд у квантовому режимі. Ми потребуємо тільки того, щоб суттєво обмежити ці флуктуації близько нуля.

  Можливо, що принцип "відсутності кордонів" Джеймса-Хартлі-Хокінга є хорошим кандидатом для опису структури початкового стану. Проте, на мою думку, для пояснення заключного стану необхідно щось інше. Зокрема, теорія, яка пояснює структуру сингулярностей, повинна була б включати порушення CPT та інших симетрій, для того щоб бути сумісною з гіпотезою Вейлівської кривизни. Таке порушення симетрії часу могло бути дуже малим; і могло б неявно утримуватися в новій теорії, що виходить за межі квантової механіки.

  Хокінг про фізичну реальність:

  Ці лекції дуже ясно показали різницю між Роджером і мною. Він – платоніст, а я – позитивіст. Він серйозно стурбований, що кіт Шредінгера знаходиться у квантовому стані, в якому він наполовину живий, а наполовину мертвий. Він відчуває у цьому невідповідність дійсності. Але мене такі речі не турбують. Я не вимагаю, щоб теорія відповідала реальності, оскільки не знаю, що таке реальність. Реальність це не якість, яку ви можете перевірити лакмусовим папером. Все, про що я турбуюся це те, щоб теорія передбачала результати вимірювань. Квантова теорія робить це дуже успішно.

  Роджер відчуває, що колапс хвильової функції привносить у фізику порушення CPT-симетрії. Він бачить такі порушення у роботі принаймні у двох областях фізики: космологія та чорні дірки. Я погоджуюсь, що ми можемо використовувати асиметрію часу, коли ставимо питання щодо спостережень. Але я повністю відхиляю ідею, що є якісь фізичні процеси, що призводять до редукції хвильової функції, або що це має якесь відношення до квантової гравітації чи свідомості. Це все має відношення до чаклунства і магії, але не до науки.

  Пенроуз про фізичну реальність:

  Квантова механіка існує лише 75 років. Це не дуже багато, особливо якщо порівнювати, наприклад, з теорією гравітації Ньютона. Тому я не здивуюся, якщо квантова механіка буде модифікована для великих об'єктів.

  На початку цих дебатів Стівен висловив думку, що він – позитивіст, а я – платоніст. Я радий, що він позитивіст, але щодо себе можу сказати, що я є реалістом. До того ж, якщо порівнюєте ці дебати з відомими дебатами Бора та Ейнштейна, приблизно 70 років тому, я думаю, що Стівен грає роль Бора, а я роль Ейнштейна! Для Ейнштейна було потрібно, щоб існувало щось схоже на реальний світ, що описується не обов'язково хвильовою функцією, тоді як Бор підкреслював, що хвильова функціяне описує реальний світ, лише знання, необхідне прогнозування результатів експерименту.

  Зараз вважається, що аргументи Бора виявилися більш вагомими, і що Ейнштейн (згідно з його біографією, написаною Абрахамом Паїсом) міг уже з 1925 займатися риболовлею. І справді, він не зробив великого вкладу в квантову механіку, хоча його прониклива критика була дуже корисною для останньої. Я вважаю, що причина цього була в тому, що в квантовій теорії були відсутні деякі важливі компоненти. Одним із таких компонентів було відкрите Стівеном 50 роками після випромінювання чорних дірок. Витік інформації, пов'язана з випромінюванням чорної діри, є той феномен, який можливо підніме квантову теорію на новий рівень.

  Стівен Хокінг вважає, що остаточної теорії Всесвіту може і не існувати

  У телелекції, прочитаної знаменитим фізиком Стівеном Хокінгом (Stephen Hawking) з Англії для слухачів кількох аудиторій Массачусетського технологічного інституту (Massachusetts Institute of Technology - MIT) описувався проведений вченими пошук повної теорії Всесвіту. І на закінчення автор наукових бестселерів "Коротка історія часу" ("A Brief History of Time") і "Теорія всього" ("The Theory of Everything"), професор математики з Кембриджського університету припустив, що, "можливо [така теорія ] неможлива".

  "Деякі люди будуть сильно розчаровані, дізнавшись, що остаточної теорії немає, - сказав Хокінг. - Я теж належав до цього табору, але тепер я передумав. Ми завжди матимемо справу з викликом з боку нових наукових відкриттів. Без цього цивілізація буде застоюватися . Пошук можна продовжувати дуже довго".

  Телепередача, під час якої виникли деякі технічні труднощі із зображенням та зі звуком, транслювалася і через Інтернет. Організована вона була Інститутом Кембридж-MIT (Cambridge-MIT Institute (CMI) – трирічний стратегічний союз між Кембриджським університетом в Англії та Массачусетським технологічним інститутом).

  Хокінг по суті коротко виклав історію фізики елементарних частинок, зосередившись на ключових постатях і теоріях у цій галузі, починаючи з Арістотеля і кінчаючи Стівеном Вейнбергом (Stephen Weinberg, нобелівський лауреат, що народився 1933 року).

  Рівняння Максвелла і Дірака, наприклад, "керують чи не всією фізикою і всією хімією та біологією, - міркував Хокінг. - Таким чином, знаючи ці рівняння, ми могли б у принципі пророкувати людську поведінку, хоча я не можу стверджувати, що сам мав у цій справі великий успіх", - сказав він під сміх аудиторії.

  Людський мозок містить занадто багато частинок для того, щоб вирішити всі рівняння, необхідні для того, щоб передбачати чиюсь поведінку. Ми хіба що колись у найближчому майбутньому навчимося передбачати поведінку хробака нематоди.

  Всі теорії, що розвиваються дотепер для того, щоб пояснити Всесвіт, "є або суперечливими, або неповними", - заявив Хокінг. І припустив, через які обставини неможливо в принципі розвинути одну повну теорію Всесвіту. Свою аргументацію він засновував на роботах Курта Геделя (Kurt Gödel), чеського математика, автора знаменитої теорії, згідно з якою в межах будь-якої галузі математики деякі судження ніяк не можуть бути ні доведені, ні спростовані.

  Всебічно вивчаючи наш всесвіт, вчені визначають низку закономірностей, фактів, які згодом стають законами, доведеними гіпотезами. На основі них продовжуються інші дослідження, що сприяють всебічному вивченню світу в цифрах.

  Теорія струн всесвіту – спосіб уявлення простору всесвіту, що з деяких ниток, які називають струнами і лайками. Говорячи простіше (для чайників), основою світу є не частинки (як ми знаємо), а енергетичні елементи, що вібрують, звані струнами і бранами. Розмір струни дуже малий - приблизно 10 -33 см.

  Для чого це треба і чи знадобилося? Теорія послужила поштовхом до опису поняття «гравітація».

  Теорія струн математична, тобто фізична природа, описана рівняннями. Їх багато, але єдиного та вірного немає. Експериментально приховані виміри всесвіту ще не вдалося визначити.

  В основу теорії покладено 5 концепцій:

  1. Світ складається з ниток, що знаходяться у вібруючому стані та енергетичних мембран.
  2. Теоретично основою є теорію гравітації та квантової фізики.
  3. Теорія поєднує всі основні сили всесвіту.
  4. Частинки бозони та ферміони мають новий видзв'язку – суперсиметрію.
  5. Теорія описує неспостерігаються людським окомвимірювання у Всесвіті.

  

  Найкраще зрозуміти теорію струн допоможе порівняння з гітарою

  Вперше про цю теорію світ почув у сімдесятих роках ХХ століття. Імена вчених у розвитку цієї гіпотези:

  • Віттен;
  • Венеціано;
  • Грін;
  • Гросс;
  • Яку;
  • Малдасена;
  • Поляків;
  • Саскінд;
  • Шварц.

  Енергетичні нитки вважали одновимірними – струнами. Це означає, що струна має 1 вимір — довжину (висоти немає). Розрізняють 2 види:

  • відкриті, в яких кінці не торкаються один одного;
  • замкнуті - петля.

  Було встановлено, що вони можуть взаємодіяти і таких варіантів 5. В основі цього є можливість з'єднувати, роз'єднувати кінці. Неможлива відсутність кільцевих струн через можливість об'єднання відкритих струн.

  Внаслідок цього вчені вважають, що теорія здатна описати не об'єднання частинок, а поведінку, силу тяжіння. Брани чи листи розглядають як елементи, до яких кріпляться струни.

  Вас зацікавить

  

  Квантова гравітація

  У фізиці існує квантовий закон та загальна теорія відносності. Квантова фізикавивчає частки у масштабах всесвіту. Гіпотези в ній називаються теоріями квантової гравітації серед найважливіших вважають струнну.

  Замкнуті нитки в ній працюють відповідно до сил тяжіння, володіючи властивостями гравітону — частка, яка переносить властивості між частинками.

  Об'єднання сил. Теорія включає об'єднані сили в одну електромагнітну, ядерну, гравітаційну. Вчені вважають, що саме так було раніше, перш ніж сили розділили.

  Суперсиметрія. Згідно з поняттям суперсиметрії, між бозонами і ферміонами (структурними одиницями всесвіту) є зв'язок. Для кожного з бозонів існує ферміон, вірно та зворотне: для ферміону є бозон. Розраховано це з урахуванням рівнянь, але з підтверджено експериментально. Плюсом суперсиметрії є можливість виключення деяких змінних (нескінченних, уявних енергетичних рівнів).

  На думку фізиків, причиною відсутності можливості довести суперсиметрію є причина потреби великої енергії, пов'язаної з масою. Вона була раніше, до періоду зниження температури у всесвіті. Після Великого вибуху сталося розсіювання енергії та перехід частинок на нижчі енергетичні рівні.

  Простіше кажучи, струни, які могли вібрувати з властивостями частинок з великою енергією, втративши її, стали низько вібраційними.

  Створюючи прискорювачі частинок, вчені хочуть визначити суперсиметричні елементи із необхідним енергетичним рівнем.

  Додаткові виміри теорії струн

  Наслідком теорії струн є математичне уявлення, згідно з яким має бути більше 3 вимірів. Перше пояснення цього – додаткові виміри стали компактними, маленькими, внаслідок чого їх не можна побачити, сприйняти.

  Ми існуємо у тривимірній лайці, ставши відрізаними від інших вимірів. Тільки можливість використання математичного моделювання дала надію на отримання координат, які б пов'язали їх. Останні дослідження в цій галузі дають змогу припускати появу нових оптимістичних даних.

  Просте розуміння мети

  Вчені всього світу, досліджуючи супер струни, намагаються обґрунтувати теорію щодо всієї фізичної реальності. Єдина гіпотеза могла все характеризувати на фундаментальному рівні, пояснивши питання влаштування планети.

  Теорія струн з'явилася в описах адронів, частинок з вищими коливальними станами струни. Якщо говорити коротко, вона легко пояснює перехід довжини в масу.

  Теорій суперструн багато. Сьогодні достеменно не відомо, чи можливо за допомогою неї пояснити теорію простору часу точніше Ейнштейна. Проведені виміри точних даних не дають. Одні з них, що стосуються простору часу, були наслідком взаємодій струн, але в кінцевому рахунку були піддані критиці.

  Теорія гравітації стане основним наслідком описаної теорії у разі її підтвердження.

  Струни та лайки стали поштовхом до появи понад 10 тисяч варіантів суджень про всесвіт. Книги з теорії струн є в загальному доступі в інтернеті, докладно та зрозуміло описується авторами:

  • Яу Шінтан;
  • Стів Надіс «Теорія струн та приховані виміри Всесвіту»;
  • Говориться про це і у Брайана Гріна в «Елегантному Всесвіті».

  
  Думки, докази, міркування та всі найдрібніші подробиці можна дізнатися, заглянувши в одну з багатьох книг, які доступно та цікаво дають зрозуміти інформацію про світ. Фізики пояснюють існуючий всесвітнашим перебуванням, існуванням інших всесвітів (навіть аналогічних нашому). За Ейнштейном є згорнутий варіант простору.

  Теоретично суперструн можуть з'єднуватися точки паралельних світів. Встановлені закониу фізиці дають надію можливість переходу серед всесвітів. Водночас квантова теорія гравітації нівелює це.

  Фізики говорять і про голографічну фіксацію даних, коли вони записуються на поверхні. Це в майбутньому дасть поштовх до розуміння судження про енергетичні нитки. Є судження про множинність вимірів часу та можливість переміщення в ньому. Гіпотеза великого вибуху через зіткнення 2 бран говорить про можливість повторення циклів.

  Світобудова, поява і поступове перетворення всього завжди займало видатні уми людства. Нові відкриття були, є та будуть. Кінцеве трактування теорії струн дозволить визначити щільність матерії, космологічну постійну.

  Завдяки цьому, визначать здатність всесвіту стискатися до наступного моменту вибуху та нового початку всього. Теорії розробляють, доводять і вони до чогось наводять. Так, рівняння Ейнштейна, що описує залежність енергії від маси і квадрата швидкості світла E=mc^2, згодом стало поштовхом до появи ядерної зброї. Після цього винайшли лазер, транзистор. Сьогодні невідомо чого чекати, але чогось це неодмінно призведе.

  У школі ми вчили, що матерія складається з атомів, а атоми з ядер, навколо яких обертаються електрони. Приблизно так само планети обертаються довкола сонця, тому це нам уявити легко. Потім атом розщепили на елементарні частинки, і уявити будову всесвіту стало складніше. У масштабі частинок діють інші закони, і знайти аналогію із життя виходить не завжди. Фізика стала абстрактною та заплутаною.

  Але наступний крок теоретичної фізики повернув відчуття реальності. Теорія струн описала світ у поняттях, які знову можна уявити, а отже, легше зрозуміти та запам'ятати.

  Тема все одно непроста, тож підемо по порядку. Спочатку розберемо, у чому полягає теорія, потім спробуємо зрозуміти, навіщо її вигадали. А на десерт — трохи історії, теорія струн має коротку, але з двома революціями.

  Всесвіт складається з вібруючих ниток енергії

  До теорії струн елементарні частки вважали точками безрозмірними формами з певними властивостями. Теорія струн описує їх як нитки енергії, у яких один розмір все ж таки є — довжина. Ці одновимірні нитки назвали квантовими струнами.

  Теоретична фізика
  

  Теоретична фізика
  описує світ за допомогою математики, на відміну від експериментальної фізики. Першим фізиком-теоретиком був Ісаак Ньютон (1642-1727)

  Ядро атома з електронами, елементарні частинки та квантові струни очима художника. Фрагмент документального фільму«Елегантний всесвіт»

  Квантові струни дуже малі, їх довжина близько 10 -33 см. Це в сто мільйонів мільярдів разів менше за протони, яких стикають на Великому адронному колайдері. Для таких експериментів зі струнами довелося б побудувати прискорювач розміром з галактику. Поки не знайшли спосіб виявити струни, але завдяки математиці ми можемо припустити деякі властивості.

  Квантові струни бувають відкритими та закритими. У відкритих кінці вільні, закриті замикаються один на одного, утворюючи петлі. Струни постійно «відкриваються» і «закриваються», з'єднуються з іншими струнами і розпадаються більш дрібні.

  
  

  Квантові струни натягнуті. Натяг у просторі відбувається завдяки різниці енергії: у закритих струн між зімкнутими кінцями, у відкритих між кінцями струн і порожнечою. Цю порожнечу фізики називають двовимірними гранями вимірів, або лайками — від слова мембрана.

  сантиметрів – мінімально можливий розмір об'єкта у всесвіті. Його називають планківською довжиною

  Ми складаємося з квантових струн

  Квантові струни вібрують. Це коливання, схожі на коливання струн балалайки, з рівномірними хвилями та цілим числом мінімумів та максимумів. При вібрації квантова струна не видає звуку, в масштабах елементарних частинок нема чого передавати звукові коливання. Вона сама стає часткою: вібрує з однією частотою – кварк, з іншого – глюон, з третьою – фотон. Тому квантова струна — це єдиний будівельний елемент, «цеглинка» всесвіту.

  Всесвіт прийнято зображати як космос та зірки, але це і наша планета, і ми з вами, і текст на екрані, і ягоди у лісі.

  

  Схема струнних вагань. За будь-якої частоти всі хвилі однакові, їх кількість ціла: одна, дві і три

  
  

  Підмосков'я, 2016 рік. Суниці багато — більше комарів. Вони теж із струн.

  
  

  А космос він десь там. Повернемося до космосу

  Отже, в основі всесвіту - квантові струни, одновимірні нитки енергії, які вібрують, змінюють розмір і форму та обмінюються енергією з іншими струнами. Але це не все.

  Квантові струни переміщаються у просторі. І простір у масштабах струн — це найцікавіша частина теорії.

  Квантові струни переміщуються в 11 вимірах

  

  Теодор Калуца
  (1885-1954)

  Все почалося з Альберта Ейнштейна. Його відкриття показали, що час відносно, і об'єднали його з простором у єдиний пространственно-часовий континуум. Роботи Ейнштейна пояснили гравітацію, рух планет та виникнення чорних дірок. Крім того, вони надихнули сучасників на нові відкриття.

  Рівняння Загальної теорії відносності Ейнштейн опулікував у 1915-16 роках, а вже 1919-го польський математик Теодор Калуца ​​спробував застосувати його розрахунки до теорії електромагнітного поля. Але постало питання: якщо ейнштейнівська гравітація викривляє чотири виміри простору-часу, що викривляють електромагнітні сили? Віра в Ейнштейна була сильною, і Калуца ​​не засумнівався, що його рівняння опишуть електромагнетизм. Натомість він припустив, що електромагнітні сили викривляють додатковий, п'ятий вимір. Ейнштейну ідея припала до душі, але перевірки експериментами теорія не пройшла і була забута — до 1960-х.

  

  Альберт Ейнштейн (1879-1955)

  

  Теодор Калуца
  (1885-1954)

  Теодор Калуца
  (1885-1954)

  Альберт Ейнштейн
  (1879-1955)

  Перші рівняння теорії струн давали дивні результати. У них з'являлися тахіони - частки з негативною масою, які рухалися швидше за швидкість світла. Тут і стала в нагоді ідея Калуци про багатомірність всесвіту. Щоправда, п'яти вимірів забракло, як забракло шести, семи чи десяти. Математика першої теорії струн набувала сенсу, тільки якщо у нашому всесвіті 26 вимірів! Пізнішим теоріям вистачило десяти, а в сучасній їх одинадцять — десять просторових і час.

  Але якщо так, то чому ми не бачимо додаткові сім вимірів? Відповідь проста — вони надто малі. Здалеку об'ємний предмет буде плоским: водопровідна труба здасться стрічкою, а повітряну кульку- Навколо. Навіть якби ми могли побачити об'єкти в інших вимірах, ми не розглянули б їх багатовимірність. Цей ефект вчені називають компактифікацією.

  
  

  Додаткові виміри згорнуті в невловимо малі форми простору-часу - їх називають простір Калабі-Яу. Здалеку виглядає плоским.

  Сім додаткових вимірів ми можемо подати лише у вигляді математичних моделей. Це фантазії, що побудовані на відомих нам властивостях простору та часу. При додаванні третього виміру світ стає об'ємним, і ми можемо оминути перешкоду. Можливо, за тим же принципом коректно додати решту семи вимірів — і тоді за ними можна обігнути простір-час і потрапити до будь-якої точки будь-якого всесвіту в будь-який момент часу.

  вимірювань у всесвіті за першим варіантом теорії струн – бозонним. Нині його вважають неактуальним

  
  

  У лінії лише один вимір — довжина

  
  

  Повітряна кулька об'ємна, має третій вимір — висота. Але для двовимірного чоловічка він виглядає лінією

  
  

  Як двомірна людина не може уявити багатовимірність, так і ми не можемо уявити всі виміри всесвіту

  За такою моделлю квантові струни подорожують завжди і скрізь, а значить, одні й ті самі струни кодують властивості всіх можливих всесвітів від їхнього народження і до кінця часів. На жаль, наша повітряна кулька плоска. Наш світ — лише чотиривимірна проекція одинадцятимірного всесвіту на видимі масшаби простору-часу, і ми не можемо піти за струнами.

  Колись ми побачимо Великий Вибух

  Коли-небудь ми розрахуємо частоту вібрацій струн та організацію додаткових вимірів у нашому всесвіті. Тоді ми дізнаємося про неї абсолютно все і зможемо побачити Великий Вибух чи злітати на Альфу Центавра. Але поки що це неможливо — немає жодних натяків, на що спертися в розрахунках, і знайти потрібні цифри можна лише перебором. Математики підрахували, що перебрати доведеться 10 500 варіантів. Теорія зайшла в глухий кут.

  І все-таки теорія струн ще здатна пояснити природу всесвіту. І тому вона має пов'язати й інші теорії, стати теорією всього.

  Теорія струн стане теорією всього. Може бути

  У другій половині XX століття фізики підтвердили низку фундаментальних теорій про природу всесвіту. Здавалося, ще трохи — і ми зрозуміємо. Однак головну проблему вирішити не вдається досі: теорії чудово працюють окремо, але загальної картинине дають.

  Головних теорій дві: теорія відносності та квантова теорія поля.

  варіантів організації 11 вимірів у просторах Калабі-Яу - вистачить для всіх можливих всесвітів. Для порівняння, кількість атомів у частині всесвіту, що спостерігається, — близько 10 80

  Варіантів організації просторів Калабі-Яу - вистачить для всіх можливих всесвітів. Для порівняння, кількість атомів у спостережуваному всесвіті — близько 10 80

  Теорія відносності
  описала гравітаційну взаємодію між планетами та зірками та пояснила феномен чорних дірок. Це фізика наочного та логічного світу.

  
  

  Модель гравітаційної взаємодії Землі та Місяця в ейнштейнівському просторі-часі

  Квантова теорія поля
  визначила типи елементарних частинок та описала 3 види взаємодії між ними: сильне, слабке та електромагнітне. Це фізика хаосу.

  
  

  Квантовий світочима художника. Відео із сайту MiShorts

  Квантову теоріюполя з додаванням маси для нейтрино називають Стандартною моделлю. Це основна теорія будови всесвіту на квантовому рівні. Більшість прогнозів теорії підтверджується в експериментах.

  Стандартна модель ділить усі частинки на ферміони та бозони. Ферміони формують матерію — до цієї групи входять всі частки, що спостерігаються, такі як кварк і електрон. Бозони – це сили, які відповідають за взаємодію ферміонів, наприклад, фотон та глюон. Вже відомі два десятки частинок, і вчені продовжують відкривати нові.

  Логічно припустити, як і гравітаційне взаємодія передається своїм бозоном. Його поки що не знайшли, проте описали властивості і вигадали назву. гравітон.

  Але поєднати теорії не виходить. За стандартною моделлю, елементарні частинки — безрозмірні точки, які взаємодіють на нульових відстанях. Якщо це правило застосувати до гравітону, рівняння дають нескінченні результати, що позбавляє їхнього сенсу. Це лише одне з протиріч, але воно добре ілюструє, наскільки далека одна фізика від іншої.

  Тому вчені шукають альтернативну теорію, здатну поєднати всі теорії в одну. Таку теорію назвали єдиною теорією поля, або теорією всього.

  Ферміони
  формують усі типи матерії, крім темної

  Бозони
  переносять енергію між ферміонами

  Теорія струн може поєднати науковий світ

  Теорія струн у ролі виглядає привабливіше інших, оскільки відразу вирішує головне протиріччя. Квантові струни вібрують, тому відстань між ними більша за нуль, і неможливих результатів обчислень для гравітону вдається уникнути. Та й сам гравітон непогано вписується у концепцію струн.

  Але теорію струн не довели експерименти, її досягнення залишаються на папері. Тим дивнішим є той факт, що за 40 років від неї не відмовилися — настільки великий її потенціал. Щоб зрозуміти, чому так відбувається, озирнемося назад і подивимося, як вона розвивалася.

  Теорія струн пережила дві революції

  

  Габріеле Венеціано
  (нар. 1942)

  Спочатку теорію струн не вважали претендентом на об'єднання фізики. Її й відкрили випадково. В 1968 молодий фізик-теоретик Габріеле Венеціано вивчав сильні взаємодії всередині атомного ядра. Несподівано він виявив, що їх непогано описує бета-функція Ейлера - набір рівнянь, які 200 років до того склав швейцарський математик Леонард Ейлер. Це було дивно: у ті часи атом вважався неподільним, а робота Ейлера вирішувала виключно математичні задачі. Ніхто не розумів, чому рівняння працюють, але ними активно користувалися.

  Фізичний сенс бета-функції Ейлера з'ясували через два роки. Троє фізиків, Йохіро Намбу, Хольгер Нільсен і Леонард Саскінд, припустили, що елементарні частинки можуть бути не точками, а одновимірними струнами, що вібрують. Сильну взаємодію таких об'єктів рівняння Ейлера описували ідеально. Перший варіант теорії струн назвали бозонним, оскільки він описував струнну природу бозонів, відповідальних взаємодії матерії, і стосувався ферміонів, у тому числі матерія складається.

  Теорія була сирою. У ній фігурували тахіони, а основні прогнози суперечили результатам експериментів. І хоча тахіонів вдалося позбутися за допомогою багатомірності Калуци, теорія струн не прижилася.

  • Габріеле Венеціано
  • Йохіро Намбу
  • Хольгер Нільсен
  • Леонард Саскінд
  • Джон Шварц
  • Майкл Грін
  • Едвард Віттен
  • Габріеле Венеціано
  • Йохіро Намбу
  • Хольгер Нільсен
  • Леонард Саскінд
  • Джон Шварц
  • Майкл Грін
  • Едвард Віттен

  Але вірні прихильники теорії залишилися. У 1971 році П'єр Рамон додав до теорії струн ферміони, скоротивши кількість вимірів з 26 до десяти. Це започаткувало теорії суперсиметрії.

  Вона говорила, що кожному ферміону відповідає свій бозон, отже, матерія та енергія симетричні. Неважливо, що спостерігається всесвіт несиметрична, говорив Рамон, існують умови, за яких симетрія все ж таки дотримується. А якщо з теорії струн ферміони і бозони кодуються одними й тими самими об'єктами, то цих умовах матерія може перетворюватися на енергію, і навпаки. Цю властивість струн назвали суперсиметричністю, а саму теорію струн – суперструнною.

  У 1974 році Джон Шварц і Джоель Шерк виявили, що деякі властивості струн дивовижно точно збіглися з властивостями передбачуваного переносника гравітації - гравітону. З цього моменту теорія почала серйозно претендувати на узагальнюючу.

  вимірювань простору-часу було в першій теорії суперструн

  
  

  "Математична структура теорії струн настільки прекрасна і має стільки разючих властивостей, що, безсумнівно, повинна вказувати на щось глибше"

  Перша суперструнна революціясталася 1984 року. Джон Шварц і Майкл Грін представили математичну модель, яка показувала, що багато суперечностей між теорією струн і Стандартною моделлю усуваються. Нові рівняння також пов'язували теорію з усіма видами матерії та енергії. Науковий світ охопила лихоманка — фізики кидали свої дослідження та перемикалися на вивчення струн.

  З 1984 до 1986 року було написано понад тисячу робіт з теорії струн. Вони показали, що багато положень Стандартної моделі та теорії гравітації, які роками збиралися по крихтах, природно випливають із струнної фізики. Дослідження переконали вчених, що теорія, що об'єднує, не за горами.

  
  

  "Момент, коли ви знайомитеся з теорією струн і усвідомлюєте, що майже всі основні досягнення фізики останнього століття випливають - і випливають з такою елегантністю - з такої простої відправної точки, ясно демонструє вам всю неймовірну міць цієї теорії"

  Але теорія струн не поспішала розкривати свої таємниці. На місці вирішених проблем виникали нові. Вчені виявили, що є не одна, а п'ять теорій суперструн. У них струни мали різні типи суперсиметрії, і не було ніякої можливості зрозуміти, яка з теорій вірна.

  Математичні методимали свою межу. Фізики звикли до складних рівнянь, які дають точних результатів, проте теорії струн не виходило написати навіть точних рівнянь. А наближені результати наближених рівнянь не давали відповіді. Стало ясно, що для вивчення теорії потрібна нова математика, але ніхто не знав, яка саме. Пил учених вщух.

  Друга суперструнна революціяпрогриміла 1995 року. Кінець застою поклав доповідь Едварда Віттена на конференції з теорії струн у Південній Каліфорнії. Віттен показав, що всі п'ять теорій — це окремі випадки однієї, більш загальної теорії суперструн, в якій не десять вимірів, а одинадцять. Об'єднуючу теорію Віттен назвав М-теорією, або Матір'ю всіх теорій, від англійського слова Mother.

  Але важливіше було інше. М-теорія Віттена настільки добре описувала ефект гравітації в теорії суперструн, що її назвали суперсиметричною теорією гравітації, або теорією супергравітації. Це надихнуло вчених, і наукові журнали знову заповнили публікації з струнної фізики.

  вимірювань простору-часу в сучасній теорії суперструн

  
  

  «Теорія струн — це частина фізики двадцять першого століття, яка випадково потрапила до віку двадцятого. Можуть пройти десятиліття, або навіть століття, перш ніж вона буде повністю розроблена та усвідомлена»

  Відлуння цієї революції чути і сьогодні. Але незважаючи на всі зусилля вчених, у теорії струн більше питаньніж відповідей. Сучасна наука намагається побудувати моделі багатовимірного всесвіту та вивчає вимірювання як мембрани простору. Їх називають бранями — пам'ятаєте порожнечу, де натягнуті відкриті струни? Припускають, що й самі струни можуть виявитися дво- чи тривимірними. Навіть говорять про нову 12-мірну фундаментальну теорію — F-теорію, Батька всіх теорій, від слова Father. Історія теорії струн далека від завершення.

  Теорію струн поки що не довели — але й не спростували

  Головна проблема теорії - у відсутності прямих доказів. Так, з неї випливають інші теорії, вчені складають 2 і 2, і виходить 4. Але це не означає, що четвірка складається з двійок. Експерименти на Великому адронному колайдері поки що не виявили й суперсиметрії, що підтвердило б єдину структурну основу всесвіту та зіграло б на руку прихильникам струнної фізики. Але немає й спростування. А тому елегантна математика теорії струн продовжує розбурхувати уми вчених, обіцяючи розгадки всіх таємниць світобудови.

  Говорячи про теорію струн, не можна не згадати Браяна Гріна, професора Колумбійського університету та невтомного популяризатора теорії. Грін виступає з лекціями та знімається на телебаченні. У 2000 році його книга «Елегантний всесвіт. Суперструни, приховані розмірності та пошук остаточної теорії» стала фіналістом Пулітцерівської премії. У 2011 році він зіграв себе у 83-й серії «Теорії Великого Вибуху». У 2013 році відвідав Московський політехнічний інститут та дав інтерв'ю «Ленте-ру»

  Якщо не хочете ставати знавцем теорії струн, але хочете розуміти, у якому світі живете, запам'ятайте шпаргалку:

  1. Всесвіт складається з ниток енергії – квантових струн, які вібрують як струни музичних інструментів. Різна частота вібрації перетворює струни на різні частинки.
  2. Кінці струн можуть бути вільними, а можуть замикатися один на одного, утворюючи петлі. Струни постійно замикаються, розмикаються і обмінюються енергією коїться з іншими струнами.
  3. Квантові струни існують у 11-мірному всесвіті. Додаткові 7 вимірів згорнуті в невловимо малі форми простору-часу, тому ми їх не бачимо. Це називається компактифікацією вимірів.
  4. Якби ми дізналися, як саме згорнуті виміри у нашому всесвіті, то, можливо, змогли б подорожувати в часі та до інших зірок. Але поки що це неможливо — надто багато варіантів потрібно перебрати. Їх би вистачило на всі можливі всесвіти.
  5. Теорія струн може об'єднати всі фізичні теорії та відкрити нам таємниці світобудови – для цього є всі передумови. Але поки що немає доказів.
  6. З теорії струн логічно випливають інші відкриття сучасної науки. На жаль, це нічого не доводить.
  7. Теорія струн пережила дві суперструнні революції та багаторічні періоди забуття. Одні вчені вважають її науковою фантастикою, інші вірять, що нові технології допоможуть довести її.
  8. Найголовніше: якщо плануєте розповісти про теорію струн друзям, переконайтеся, що серед них немає фізика — збережете час та нерви. І виглядатимете, як Браян Грін у Політехнічному інституті:

  У кінцевому підсумку все елементарні частинки можна як мікроскопічних багатовимірних струн, у яких порушені вібрації різних гармонік.

  Увага, пристебніть міцніше ремені — і я спробую описати вам одну з найдивніших теорій серед серйозно обговорюваних сьогодні наукових колахяка здатна дати нарешті остаточну розгадку пристрою Всесвіту. Теорія ця виглядає настільки дико, що цілком можливо, вона правильна!

  Різні версії теорії струн сьогодні розглядаються як головні претенденти на звання всеосяжної універсальної теорії, що пояснює природу всього сущого. А це — своєрідний Священний Грааль фізиків-теоретиків, які займаються теорією елементарних частинок та космології. Універсальна теорія (вона ж теорія всього сущого) містить всього кілька рівнянь, які поєднують у собі всю сукупність людських знань про характер взаємодій та властивості фундаментальних елементів матерії, з яких побудовано Всесвіт. Сьогодні теорію струн вдалося поєднати з концепцією суперсиметрії, внаслідок чого народилася теорія суперструн, і на сьогоднішній день це максимум того, що вдалося досягти в плані об'єднання теорії всіх чотирьох основних взаємодій (діючих у природі сил). Сама по собі теорія суперсиметрії вже побудована на основі апріорної сучасної концепції, згідно з якою будь-яка дистанційна (польова) взаємодія зумовлена ​​обміном частинками-носіями взаємодії відповідного роду між частинками, що взаємодіють ( див.стандартна модель). Для наочності взаємодіючі частки можна вважати «цеглинами» світобудови, а частинки-носії – цементом.

  У рамках стандартної моделі в ролі цегли виступають кварки, а в ролі носіїв взаємодії калібрувальні бозони, якими ці кварки обмінюються між собою Теорія ж суперсиметрії йде ще далі і стверджує, що й самі кварки та лептони не фундаментальні: всі вони складаються з ще більш важких і не відкритих експериментально структур (цеглинок) матерії, скріплених ще міцнішим «цементом» наденергетичних частинок-носіїв взаємодій, ніж кварки у складі адронів та бозонів. Природно, в лабораторних умовах жодне з передбачень теорії суперсиметрії досі не перевірено, проте приховані гіпотетичні компоненти матеріального світу вже мають назви — наприклад, електрон(Суперсиметричний напарник електрона), скваркі т. д. Існування цих частинок, проте, теоріями такого роду передбачається однозначно.

  Картину Всесвіту, пропоновану цими теоріями, однак, досить легко уявити наочно. У масштабах близько 10 -35 м, тобто на 20 порядків менше діаметра того ж протона, до складу якого входять три пов'язані кварки, структура матерії відрізняється від звичної нам навіть на рівні елементарних частинок. На настільки малих відстанях (і за таких високих енергій взаємодій, що це й уявити немислимо) матерія перетворюється на серію польових стоячих хвиль, подібних до тих, що порушуються в струнах музичних інструментів. Подібно до гітарної струни, в такій струні можуть збуджуватися, крім основного тону, безліч обертонівабо гармонік.Кожній гармоніці відповідає власний енергетичний стан. Згідно принципом відносності (див.Теорія відносності), енергія і маса еквівалентні, а значить, чим вища частота гармонійної хвильової вібрації струни, тим вища його енергія, і тим вища маса частки, що спостерігається.

  Однак, якщо стоячу хвилю в гітарній струні уявити наочно досить просто, стоячі хвилі, пропоновані теорією суперструн наочному уявленню піддаються важко — справа в тому, що коливання суперструн відбуваються в просторі, що має 11 вимірювань. Ми звикли до чотиривимірного простору, який містить три просторові та один тимчасовий вимір (вліво-вправо, вгору-вниз, вперед-назад, минуле-майбутнє). У просторі суперструн все набагато складніше (див. вставку). Фізики-теоретики оминають слизьку проблему «зайвих» просторових вимірів, стверджуючи, що вони «скрадуються» (або, висловлюючись науковою мовою, «компактифікуються») і тому не спостерігаються при звичайних енергіях.

  Зовсім уже нещодавно теорія струн набула подальшого розвитку у вигляді теорії багатовимірних мембран- По суті, це ті ж струни, але плоскі. Як схожий пожартував хтось із її авторів, мембрани відрізняються від струн приблизно тим же, чим локшина відрізняється від вермішелі.

  Ось, мабуть, і все, що можна коротко розповісти про одну з теорій, що не без підстави претендують на сьогодні на звання універсальної теорії Великого об'єднання всіх силових взаємодій. На жаль, і ця теорія непогрішна. Перш за все, вона досі не приведена до суворого математичного вигляду через недостатність математичного апарату для її приведення до суворої внутрішньої відповідності. Минуло вже 20 років, як ця теорія з'явилася на світ, а несуперечливо узгодити одні її аспекти та версії з іншими так нікому й не вдалося. Ще неприємніше те, що ніхто з теоретиків, які пропонують теорію струн (і, тим більше суперструн), досі не запропонував жодного досвіду, на якому ці теорії можна було б перевірити лабораторно. На жаль, боюся, що доти, доки вони цього не зроблять, вся їхня робота так і залишиться химерною грою фантазії та вправами в осягненні езотеричних знань за межами основного русла природознавства.

  Див. також:

  1972	Квантова хромодинаміка

  Скільки всього вимірів?

  Нам, простим людям, завжди вистачало й трьох вимірів. З незапам'ятних часів ми звикли описувати фізичний світ у таких скромних рамках (шаблезубий тигр у 40 метрах спереду, 11 метрах правіше і 4 метрах вище за мене — бруківка до бою!). Теорія відносності привчила більшість із нас до того, що час — це четвертий вимір (шаблезубий тигр не просто тут — він тут і зараз загрожує нам!). І ось, починаючи з середини ХХ століття, теоретики повели розмови, що насправді вимірів ще більше — чи то 10, чи то 11, чи взагалі 26. Звичайно, без пояснень, чому ми, нормальні люди, їх не спостерігаємо, тут обійтися не могло. І тоді виникла концепція "компактифікації" - злипання або схлопування вимірів.

  Представимо садовий поливальний шланг. Поблизу він сприймається як звичайний тривимірний об'єкт. Варто, однак, відійти від шланга на достатню відстань — і він видасться нам одновимірним лінійним об'єктом: його товщину ми просто перестанемо сприймати. Саме про такий ефект і прийнято говорити, як про компактифікацію виміру: в даному випадку "компактифікованою" виявилася товщина шланга - дуже мала шкала масштабу виміру.

  Саме так, за твердженнями теоретиків, зникають з поля нашого експериментального сприйняття реально існуючі додаткові вимірювання, необхідні для адекватного пояснення властивостей матерії на субатомному рівні: вони компактифікуються, починаючи з шкали масштабів близько 10 -35 м, і сучасні методи спостереження та вимірювальні прилади просто не може виявити структур настільки малого масштабу. Можливо, все саме так і є, а можливо, все зовсім по-іншому. Поки немає таких приладів і методів спостереження, всі наведені вище докази і контрдоводи так і залишаться на рівні спекуляцій.

  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, рентгенівські промені та 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 та передбачувана Загальна теорія відносності знаходиться в нерозв'язний конфліктз «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 математики вдалося показати, що електромагнітна та слабка взаємодії мають загальну природу, об'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 років роботи Венеціано, а нагода лише допомогла зробити перший крок до відкриття теорії струн. Рівняння Ейлера чудовим чиномщо пояснила 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. Описавши своє відкриття, Саскінд представив революційну ідею струн.

  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 найвідомішу силу макрорівня – 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 брак 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 відповідальне за існування "антигравітаційної" темної енергії, яка заповнює 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, через 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 все-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 якою б не була мала величина постійної космологічної, її цілком достатньо для того, щоб переконатися в тому, що квантові ефекти в 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 теорія, здавалося, 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 коливанняструни 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 інструменті, де 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, ми збільшили силу електромагнітної взаємодії. Що сталося? Ми можемо раптом виявити, що іони стали сильнішими 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 значенняфундаментальних 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 (усі п'ять версій об'єднані у загальну теоріюсуперструн), у деталях ці версії розходилися значно.

  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 найголовніша проблема струн, як уже було сказано, у неможливості (принаймні поки що) 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.