Теорія суперструн найпопулярнішим. Струни та лайки

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 /©Bruno P. Ramos

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

2D-Всесвіт. Граф поліедра E8 /©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project

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.

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.

Взаємодії між різними частинками у Стандартній моделі /

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.

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 вимірювань /

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.

Яким чином 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.

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.

Гарним поетичним словосполученням «теорія струн» названо один із напрямків у теоретичній фізиці, що поєднує в собі ідеї теорії відносності та квантову механіку. Цей напрямок фізики займається вивченням квантових струн - тобто одновимірних протяжних об'єктів. У цьому полягає його основна відмінність від багатьох інших розділів фізики, в яких вивчається динаміка точкових частинок.

У своїй основі Теорія струн заперечує і стверджує, що Всесвіт існував завжди. Тобто Всесвіт являв собою не нескінченно малу точку, а струну з нескінченно малою довжиною, при цьому теорія струн говорить про те, що ми живемо в десятивимірному просторі, хоча відчуваємо лише 3-4. Інші існують у згорнутому стані, і якщо ви вирішили поставити запитання: «Коли ж вони розгортатимуться, і чи станеться це взагалі колись?», то відповіді ви не отримаєте.

Математика його просто не знайшла – струнну теорію неможливо довести досвідченим шляхом. Щоправда, були спроби розробити універсальну теорію, щоби можна було перевіряти її практично. Але щоб це сталося, її потрібно зробити настільки спрощеною, щоб вона сягала нашого рівня сприйняття реальності. Тоді ідея перевірки повністю позбавляється сенсу.

Основні критерії та поняття теорії струн

Теорія відносності говорить про те, що наш Всесвіт – це площина, а квантова механіка заявляє, що на мікрорівні відбувається нескінченний рух, через який викривляється простір. А теорія струн намагається поєднати ці два припущення, і відповідно до неї, елементарні частинки подаються у вигляді спеціальних компонентів у складі кожного атома – оригінальних струн, які є своєрідними ультрамікроскопічними волокнами. Елементарні частинки при цьому мають властивості, які пояснює резонансне коливання волокон, що утворюють ці частинки. Подібними типами волокон здійснюються вібрації у нескінченній кількості.

Для більш точного розуміння суті, простий обиватель може уявити струни звичайних музичних інструментів, які можуть у різний час натягуватися, успішно згортатися, постійно вібрувати. Такі ж властивості мають нитки, що взаємодіють один з одним при певних вібраціях.

Згортаючись у стандартні петлі, нитки утворюють більші різновиди частинок – кварки, електрони, чия маса вже безпосередньо залежатиме від рівня натягнутості і частоти вібрації волокон. Тож енергію струн співвідносять саме з цими критеріями. Маса елементарних частинок буде вищою за більшої кількості випромінюваної енергії.

Нагальні проблеми теорії струн

При вивченні теорії струн вчені багатьох країн періодично стикалися з цілою низкою проблем та нерозв'язних питань. Найважливішим моментом вважатимуться недолік математичних формул, тому надати теорії завершений вигляд фахівцям поки що не вдається.

Другою істотною проблемою є підтвердження суттю теорії наявності 10 вимірів, коли насправді відчути ми можемо всього 4 з них. Імовірно, інші 6 з них існують у скрученому стані, і в реальному часі відчути їх неможливо. Тому, хоча спростування теорії докорінно неможливе, експериментальне підтвердження поки що теж видається досить скрутним.

При цьому дослідження теорії струн стало очевидним поштовхом для розвитку оригінальних математичних конструкцій, а також топології. Фізика з її теоретичними напрямами досить міцно вкоренилася в математиці також з допомогою теорії, що вивчається. Більше того, сутність сучасної квантової гравітації та матерії змогли досконально зрозуміти, почавши вивчати набагато глибше, ніж було можливо до цього.

Тому дослідження теорії струн продовжуються безперервно, а результатом численних експериментів, включаючи випробування на Великому адронному колайдері, можуть стати поняття та елементи, що бракують. У цьому випадку фізична теорія буде абсолютно доведеним та загальноприйнятим явищем.

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 лише 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 поєднання 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.

Теорія струн - напрямок математичної фізики, вивчає динаміку не точкових частинок, як більшість розділів фізики, а одномірних протяжних об'єктів, тобто. струн.
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 гіпотетичні приховані компоненти матеріального світу вже мають назви - наприклад, електрон (суперсиметричний напарник електрона), скварк тощо. Існування цих частинок, проте, теоріями такого роду передбачається однозначно.

Картину Всесвіту, пропоновану цими теоріями, однак, досить легко уявити наочно. У масштабах порядку 10Е-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 обертонів або гармонік. Кожній гармоніці відповідає власний енергетичний стан. Відповідно до принципу 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 вже нещодавно теорія струн отримала подальший розвиток 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.

Вивчення властивостей чорних дірок

У 1996 р. струнні теоретики Ендрю Стромінджер і Кумрун Вафа, спираючись на попередні результати Саскінда і Сена, опублікували роботу «Мікроскопічна природа ентропії Бекенштейна і Хокінга». У цій роботі Стромінджеру та Вафі вдалося використати теорію струн для знаходження мікроскопічних компонентів певного класу чорних дірок, а також для точного обчислення вкладів цих компонентів в ентропію. Робота була заснована на застосуванні нового методу, що частково виходить за рамки теорії збурень, яку використовували у 1980-х та на початку 1990-х рр. Результат роботи точно збігався з передбаченнями Бекенштейна і Хокінга, зробленими більш ніж за двадцять років до цього.

Реальним процесам утворення чорних дірок Стромінджер та Вафа протиставили конструктивний підхід. Вони змінили точку зору на утворення чорних дірок, показавши, що їх можна конструювати шляхом копіткої складання в один механізм точного набору лайок, відкритих під час другої суперструнної революції.

Маючи в руках усі важелі управління мікроскопічною конструкцією чорної діри, Стромінджер і Вафа змогли обчислити число перестановок мікроскопічних компонентів чорної діри, при яких загальні характеристики, що спостерігаються, наприклад маса і заряд, залишаються незмінними. Після цього вони порівняли отримане число з площею горизонту подій чорної дірки - ентропією, передбаченою Бекенштейном та Хокінгом, - та отримали ідеальну згоду. Принаймні для класу екстремальних чорних дірок Стромінджеру та Вафі вдалося знайти додаток теорії струн для аналізу мікроскопічних компонентів та точного обчислення відповідної ентропії. Проблема, що стояла перед фізиками протягом чверті століття, було вирішено.

Для багатьох теоретиків це відкриття було важливим та переконливим аргументом на підтримку теорії струн. Розробка теорії струн досі залишається дуже грубою для прямого і точного порівняння з експериментальними результатами, наприклад, з результатами вимірювань мас кварку чи електрона. Теорія струн, тим не менш, дає перше фундаментальне обґрунтування давно відкритої властивості чорних дірок, неможливість пояснення якого багато років гальмувала дослідження фізиків, які працювали з традиційними теоріями. Навіть Шелдон Глешоу, Нобелівський лауреат з фізики і переконаний противник теорії струн у 1980-і рр., зізнався в інтерв'ю в 1997 р., що «коли струнні теоретики говорять про чорні діри, йдеться чи не про вражаючі явища, і спостерігається явища, ».

Струнна космологія

Існує три основні пункти, у яких теорія струн модифікує стандартну космологічну модель. По-перше, у дусі сучасних досліджень, які все більше прояснюють ситуацію, з теорії струн випливає, що Всесвіт повинен мати мінімально допустимий розмір. Цей висновок змінює уявлення про структуру Всесвіту безпосередньо в момент Великого вибуху, для якого у стандартній моделі виходить нульовий розмір Всесвіту. По-друге, поняття T-дуальності, тобто дуальності малих і великих радіусів (у його тісному зв'язку з існуванням мінімального розміру) теоретично струн, має значення й у космології. По-третє, число просторово-часових вимірів теорії струн більше чотирьох, тому космологія повинна описувати еволюцію всіх цих вимірів.

Модель Бранденберга та Вафи

Наприкінці 1980-х років. Роберт Бранденбергер і Кумрун Вафа зробили перші важливі кроки до розуміння того, яких змін у наслідках зі стандартної космологічної моделі приведе використання теорії струн. Вони дійшли двох важливих висновків. По-перше, у міру руху назад до моменту Великого вибуху температура продовжує зростати до моменту, коли розміри Всесвіту з усіх напрямків зрівняються з планковською довжиною. У цей момент температура досягне максимуму і почне зменшуватись. На інтуїтивному рівні неважко зрозуміти причину цього явища. Припустимо для простоти (слідуючи Бранденбергеру та Вафі), що всі просторові виміри Всесвіту циклічні. Під час руху назад у часі радіус кожного кола скорочується, а температура Всесвіту збільшується. З теорії струн ми знаємо, що скорочення радіусів спочатку до і потім нижче значень планківської довжини фізично еквівалентно зменшенню радіусів до планківської довжини, яке потім змінюється їх подальшим збільшенням. Оскільки температура при розширенні Всесвіту падає, то безрезультатні спроби стиснути Всесвіт до розмірів, менших від планківської довжини, призведуть до припинення зростання температури та її подальшого зниження.

У результаті Бранденбергер і Вафа прийшли до наступної космологічної картини: спочатку всі просторові виміри теоретично струн щільно згорнуті до мінімальних розмірів порядку планківської довжини. Температура та енергія високі, але не нескінченні: парадокси початкової точки нульового розміру теоретично струн вирішені. У початковий момент існування Всесвіту всі просторові виміри теорії струн абсолютно рівноправні і повністю симетричні: всі вони згорнуті в багатовимірну грудку планківських розмірів. Далі, згідно з Бранденбергером і Вафе, Всесвіт проходить першу стадію зниження симетрії, коли в планківський момент часу три просторові виміри відбираються для подальшого розширення, а інші зберігають вихідний планківський розмір. Потім ці три виміри ототожнюються з вимірами в сценарії інфляційної космології і в процесі еволюції приймають форму, що спостерігається тепер.

Модель Венеціано та Гасперіні

Після роботи Бранденбергера та Вафи фізики безперервно просуваються вперед до розуміння струнної космології. Серед тих, хто йде на чолі цих досліджень – Габріеле Венеціано та його колега Мауріціо Гасперіні з Туринського університету. Ці вчені представили свій варіант струнної космології, який у ряді місць стикається з описаним вище сценарієм, але в інших місцях принципово відрізняється від нього. Як Бранденбергер і Вафа, для виключення нескінченної температури та щільності енергії, які виникають у стандартній та інфляційній моделі, вони спиралися на існування мінімальної довжини в теорії струн. Однак замість висновку про те, що в силу цієї властивості Всесвіт народжується з грудки планківських розмірів, Гасперіні і Венеціано припустили, що існував доісторичний всесвіт, що виник задовго до моменту, який називається нульовою точкою, і породив цей космічний «ембріон» планківських розмірів.

Початковий стан Всесвіту в такому сценарії і моделі Великого вибуху дуже сильно різняться. Згідно Гасперіні і Венеціано, Всесвіт не був розпеченим і щільно скрученим клубком вимірювань, а був холодним і мав нескінченну протяжність. Потім, як випливає з рівнянь теорії струн, у Всесвіт вторглася нестабільність, і всі її точки стали, як і в епоху інфляції за Гутом, стрімко розбігатися убік.

Гасперіні та Венеціано показали, що через це простір ставав дедалі більш викривленим і в результаті стався різкий стрибок температури та щільності енергії. Минуло небагато часу, і тривимірна область міліметрових розмірів усередині цих безмежних просторів перетворилася на розпечену і щільну пляму, тотожну пляму, що утворюється при інфляційному розширенні за Гутом. Потім все пішло за стандартним сценарієм космології Великого вибуху, і пляма, що розширюється, перетворилася на спостерігається Всесвіт.

Оскільки в епоху до Великого вибуху відбувалося своє інфляційне розширення, рішення парадоксу горизонту, запропоноване Гутом, виявляється автоматично вбудованим у цей космологічний сценарій. За словами Венеціано (в інтерв'ю 1998 р.), «теорія струн підносить нам як на блюдечку варіант інфляційної космології».

Вивчення струнної космології швидко стає областю активних та продуктивних досліджень. Наприклад, сценарій еволюції до Великого вибуху вже неодноразово був приводом гарячих суперечок, яке місце у майбутньому космологічному формулюванні далеко ще не очевидно. Однак немає сумнівів, що це космологічне формулювання твердо спиратиметься на розуміння фізиками результатів, відкритих під час другої суперструнної революції. Наприклад, досі незрозумілі космологічні наслідки існування багатовимірних мембран. Іншими словами, як зміниться уявлення про перші моменти існування Всесвіту в результаті аналізу закінченої М-теорії? Це питання інтенсивно досліджується.

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 вид зв'язку – суперсиметрію.
5. Теорія описує виміри, що не спостерігаються людським оком 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 фізика вивчає 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 суперструни, 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 всесвіт нашим перебуванням, існуванням інших всесвітів (навіть аналогічних нашому). За Ейнштейном є згорнутий варіант простору.

Теоретично суперструн можуть з'єднуватися точки паралельних світів. Встановлені закони у 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 та 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.