Теорія струн простими словами. Стівен Хокінг вважає, що остаточної теорії Всесвіту може і не існувати

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

Вважаємо від трьох до десяти

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

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

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

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

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

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

Крапка, крапка, кома

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

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

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

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

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

Кожен з них побачить свого товариша таким:

А при такому розкладі:

Наші герої побачать один одного такими:

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

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

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

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

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

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

Тикає годинник

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Дуже велика енциклопедія

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

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

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

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

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

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

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

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

На початку XX століття було сформовано дві несучі опори сучасного наукового знання. Однією з них є загальна теорія відносності Ейнштейна, яка пояснює явище сили тяжіння та структуру простору-часу. Інша – квантова механіка, що описує фізичні процеси крізь призму ймовірності. Об'єднати ці два підходи покликана теорія струн. Коротко і зрозуміло пояснити її можна, використовуючи аналогії у повсякденному житті.

Теорія струн простою мовою

Основні положення однієї з найбільш відомих теорій всього зводяться до наступного:

Основу світобудови складають протяжні об'єкти, які формою нагадують струни;
Цим об'єктам властиво здійснювати різні коливання, немов музичному інструменті;
У цих коливань утворюються різні елементарні частинки (кварки, електрони тощо.).
Маса отриманого об'єкта прямо пропорційна амплітуді досконалого коливання;
Теорія допомагає по-новому подивитись чорні дірки;
Також за допомогою нового вчення вдалося розкрити силу важкості у взаємодії між фундаментальними частинками;
На відміну від панівних нині уявлень про чотиривимірному світі, у новій теорії вводяться додаткові виміри;
В даний час концепція ще не прийнята офіційно в широкому науковому співтоваристві. Не відомо жодного експерименту, який би підтверджував цю гармонійну та вивірену на папері теорію.

Історична довідка

Історія цієї парадигми охоплює кілька десятиліть інтенсивних досліджень. Завдяки спільним зусиллям фізиків по всьому світу була розроблена струнка теорія, що включає концепції конденсованих середовищ, космологію та теоретичну математику.

Основні етапи її розвитку:

1943-1959 р.р. З'явилося вчення Вернера Гейзенберга про s-матрицю, в рамках якого пропонувалося відкинути поняття простору та часу для квантових явищ. Гейзенберг вперше виявив, що учасники сильних взаємодій є протяжними об'єктами, а не крапками;
1959-1968 рр. Було виявлено частинки з високими спинами (моментами обертання). Італійський фізик Тулліо Редже запропонує групувати квантові стани у траєкторії (які були названі його ім'ям);
1968-1974 рр. Гарібреле Венеціано запропонував модель подвійного резонансу для опису сильних взаємодій. Есіро Намбу розвинув цю ідею та описав ядерні сили як вібраційні одновимірні струни;
1974-1994 рр. Відкриття суперструн багато в чому завдяки роботам російського вченого Олександра Полякова;
1994-2003 рр. Поява М-теорії допустила більшу, ніж 11, кількість вимірювань;
2003 – н. в. Майкл Дуглас розробив ландшафтну теорію струн із поняттям помилкового вакууму.

Теорія квантових струн

Ключовими об'єктами у новій науковій парадигмі є найтонші об'єкти, які своїми коливальними рухами повідомляють масу та заряд будь-якої елементарної частки.

Основні властивості струн згідно з сучасними уявленнями:

Довжина їх надзвичайно мала - близько 10-35 метрів. У подібному масштабі стають помітними квантові взаємодії;
Однак у звичайних лабораторних умовах, які не мають справи з такими дрібними об'єктами, струна абсолютно не відрізняється від безрозмірного точкового об'єкта;
p align="justify"> Важливою характеристикою струнного об'єкта є орієнтація. Струни, що мають їй, мають пару з протилежним напрямком. Існують також неорієнтовані екземпляри.

Струни можуть існувати як у вигляді відрізка, обмеженого з обох кінців, так і у вигляді замкнутої петлі. Причому можливі такі перетворення:

Відрізок або петля можуть "розмножитися", давши початок парі відповідних об'єктів;
Відрізок дає початок петлі, якщо частина його «закільцюється»;
Петля розривається і стає відкритою струною;
Два відрізки обмінюються сегментами.

Інші фундаментальні об'єкти

У 1995 році виявилося, що не одні тільки одновимірні об'єкти є цеглою нашого світобудови. Було передбачено існування незвичайних формацій - бранів- у вигляді циліндра або об'ємного кільця, які мають такі особливості:

Вони в кілька мільярдів разів менші від атомів;
Можуть поширюватися через простір та час, мають масу та заряд;
У нашому Всесвіті вони є тривимірними об'єктами. Однак припускають, що їх форма набагато загадковіша, оскільки значна їх частина може простягатися в інші виміри;
Багатовимірний простір, що ховається під лайками, є гіперпростором;
З цими структурами пов'язують існування частинок, які є переносниками сили тяжкості – гравітонів. Вони вільно відокремлюються від бран і плавно перетікають в інші виміри;
На лайках локалізованих також електромагнітні, ядерні та слабкі взаємодії;
Найбільш важливим різновидом є D-брани. На їхній поверхні кріпляться кінцеві точки відкритої струни в той момент, коли вона проходить крізь простір.

Критичні зауваження

Як і будь-яка наукова революція, ця пробивається крізь терни нерозуміння і критики з боку представників традиційних поглядів.

Серед зауважень, що найчастіше висловлюються:

Введення додаткових вимірів простору-часу створює гіпотетичну можливість існування величезної кількості всесвітів. За словами математика Пітера Вольта, це призводить до неможливості передбачення будь-яких процесів чи явищ. Будь-який експеримент запускає багато різних сценаріїв, які можуть бути інтерпретовані різними способами;
Відсутня можливість підтвердження. Сучасний рівень розвитку техніки не дозволяє експериментально підтвердити чи спростувати кабінетні дослідження;
Останні спостереження за астрономічними об'єктами на хвилі вкладаються в положення теорії, що змушує вчених переглядати деякі свої висновки;
Ряд фізиків висловлюють думку, що концепція є спекулятивною та гальмує розвиток інших фундаментальних уявлень.

Мабуть, легше довести теорему Ферма, ніж простими словами пояснити теорію струн. Математичний апарат її настільки великий, що зрозуміти її під силу лише маститим ученим із найбільших НДІ.

Досі не зрозуміло, чи знайдуть реальне застосування, зроблені за останні десятки років на кінчику пера відкриття. Якщо так, то на нас чекає чудовий новий світ з антигравітацією, безліччю всесвітів і розгадкою природи чорних дірок.

Відео: теорія струн коротко та доступно

У цьому ролику фізик Станіслав Єфремов розповість простими словами, у чому полягає теорія струн:

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. Поговоримо сьогодні про Теорію 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.

Суперечність фізики

У другій половині ХІХ століття фізикам здавалося, що нічого серйозного в їх науці відкрити більше не можна. Класична фізика вважала, 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 – NS).

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 хвилі можуть випускатися лише деякими дискретними порціями енергії, які 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

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

2D-Всесвіт. Граф поліедра E8 Теорія Всього

Теорія струн втілює мрію всіх фізиків по об'єднанню двох, що докорінно суперечать один одному ОТО і 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».

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.

Графік бета-функції Ейлера за речових аргументів

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 функцію двохсотрічної давності, вперше записану швейцарським математиком Леонардом Ейлером. Яке ж було здивування Венеціано, коли він виявив, що функція Ейлера, яку довгий час вважали нічим іншим, як математичною дивиною, описує цю сильну взаємодію.

Як було насправді? Формула, ймовірно, стала результатом довгих років роботи Венеціано, а нагода лише допомогла зробити перший крок до відкриття теорії струн. Функція Ейлера, що чудово пояснила сильну взаємодію, набула нового життя.

Зрештою, вона потрапила 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.

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.

Взаємодії між різними частинками у Стандартній моделі
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 за світло. 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 і мільярди разів менші за атом, «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 спільнота ніяк не відреагувала. 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.

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 коливання струни віолончелі створюють те, що ми чуємо, як різні музичні ноти, різні способи (моди) вібрації струни надають частинкам їх унікальні властивості – масу, заряд та інше. Знаєте, чим, умовно кажучи, відрізняються протони в кінчику вашого нігтя від поки не відкритого гравітону? Тільки набором крихітних струн, які їх складають, і тим, як ці струни вагаються.

Звичайно, все це більш ніж дивно. Ще з часів Стародавньої Греції фізики звикли до того, що все в цьому світі складається з чогось на кшталт кульок, крихітних частинок. І ось, не встигнувши звикнути до алогічної поведінки цих куль, що випливає з квантової механіки, їм пропонується зовсім 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 існування додаткових вимірів 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.

Одна з передбачуваних форм додаткових закручених вимірів. Усередині кожної з таких форм вібрує та рухається струна – основний компонент Всесвіту. Кожна форма шестивимірна – за кількістю шести додаткових вимірів

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, що 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 значення фундаментальних констант. Одні форми вимірювань змушують одну струну вібрувати певним чином, і породжують те, що бачимо, як фотон. В інших формах струни вібрують по-іншому і породжують електрон. Воістину бог у «дрібницях» – саме ці крихітні форми визначають всі основні константи цього світу.

Теорія суперструн

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

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

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

Давайте трохи поринемо в історію

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

Габріеле Венеціано (Gabriele Veneziano)

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

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

Якщо вірити вченим, то ми самі і все навколо нас складається з безлічі ось таких загадкових згорнутих мікрооб'єктів.
Період з 1984 по 1986 р.р. тепер відомий як "перша революція в теорії суперструн". Протягом цього періоду фізиками всього світу було написано понад тисячу статей з теорії струн. Ці роботи остаточно продемонстрували, що численні властивості стандартної моделі, відкриті протягом десятиліть копітких досліджень, природно випливають із величної системи теорії струн. Як зауважив Майкл Грін, «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» 5 . Більше того, для багатьох з цих властивостей, як ми побачимо нижче, теорія струн дає набагато повніший і задовільний опис, ніж стандартна модель. Ці досягнення переконали багатьох фізиків, що теорія струн здатна виконати свої обіцянки і стати остаточною теорією, що об'єднує.

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

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

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

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

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

клікабельно 1700 рх

А тепер давайте хоч трохи спробуємо зрозуміти суть цієї теорії.

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

Кожен з них побачить свого товариша таким:

А при такому розкладі:

Наші герої побачать один одного такими:

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

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

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

Тикає годинник

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

Дуже велика енциклопедія

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

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

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

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

Фізики звикли працювати з частинками: теорія відпрацьована, експерименти сходяться. Ядерні реактори та атомні бомби розраховуються за допомогою частинок. З одним застереженням - у всіх розрахунках не враховується гравітація.

Гравітація – це тяжіння тіл. Коли говоримо про гравітацію, уявляємо земне тяжіння. Телефон падає із рук на асфальт під дією гравітації. У космосі Місяць притягується до Землі, Земля до Сонця. Все у світі притягується одне до одного, але щоб відчути це, потрібні дуже тяжкі об'єкти. Ми відчуваємо тяжіння Землі, яка в 7,5×10 22 разів важча за людину, і не помічаємо тяжіння хмарочоса, який важчий у 4×10 6 разів.

7,5×10 22 = 75 000 000 000 000 000 000 000

4×10 6 = 4000000

Гравітацію визначає загальна теорія відносності Ейнштейна. Теоретично масивні об'єкти викривляють простір. Щоб зрозуміти, вийдіть у дитячий парк та покладіть на батут важкий камінь. На гумі батута з'явиться вирва. Якщо покласти на батут маленьку кульку, то вона скотиться по вирві до каменю. Приблизно так планети утворюють вирву у просторі, а ми, як кульки, падаємо на них.

Планети настільки масивні, що викривляють простір

Для того, щоб описати все на рівні елементарних частинок, гравітація не потрібна. Порівняно з іншими силами, гравітація така мала, що її просто викинули з квантових розрахунків. Сила земної гравітації менша за силу, що утримує частинки атомного ядра, в 10 38 разів. Це справедливо майже для всього всесвіту.

10 38 = 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

Єдине місце, де гравітація так само сильна, як і інші взаємодії – усередині чорної дірки. Це гігантська вирва, в якій гравітація згортає сам простір і втягує все, що поряд. Навіть світло залітає у чорну дірку і назад не повертається.

Щоб працювати з гравітацією як з іншими частинками, фізики вигадали квант гравітації - гравітон. Провели розрахунки, але вони не зійшлися. Обчислення показували, що енергія гравітону зростає до безкінечності. А такого не повинно бути.

Фізики спочатку вигадують, потім шукають. Бозон Хіггса вигадали за 50 років до відкриття.

Проблеми з розбіжностями у розрахунках зникли, коли гравітон розглянули як частинку, бо як струну. Струни мають кінцеву довжину та енергію, тому енергія гравітону може зростати лише до певної межі. Так у вчених з'явився інструмент, за допомогою якого вони вивчають чорні дірки.

Успіхи у вивченні чорних дірок допомагають зрозуміти, як з'явився всесвіт. За теорією Великого вибуху світ виріс із мікроскопічної точки. У перші миті життя всесвіт був дуже щільним - у малому обсязі зібралися всі сучасні зірки та планети. Гравітація не поступалася силою іншим взаємодіям, тому знання ефектів гравітації важливо задля розуміння ранньої всесвіту.

Успіхи в описі квантової гравітації – крок до створення теорії, яка опише все у світі. Така теорія пояснить, як всесвіт народився, що в ньому відбувається зараз, і яким буде її кінець.