Теоретическая физика является малопонятной для многих, но в то же время несет первостепенное значение в изучении окружающего нас мира. Задача любого физика теоретика состоит в построении математической модели, теории способной объяснить те или иные процессы в природе.

Надобность

Как известно, физические законы макромира, то есть мира, в котором существуем мы, значительно отличаются от законов природы в микромире – в пределах которого обитают атомы, молекулы и элементарные частицы. Примером будет сложный для понимания принцип под названием карпускулярно-волновой дуализм, согласно которому микрообъекты (электрон, протон и другие) могут быть как частицами, так и волной.

Как и нам, физикам-теоретикам хочется описать мир кратко и понятно, что и есть основным призванием теории струн. С ее помощью можно объяснить некоторые физические процессы, как на уровне макромира, так и на уровне микромира, что делает ее универсальной, объединяющей другие ранее не связанные теории (общую теорию относительности и квантовую механику).

Суть

Согласно теории струн, весь мир строится не из частиц, как считается сегодня, а из бесконечно тонких объектов длиною в 10−35 м, имеющих способность совершать колебания, что позволяет провести аналогию со струнами. При помощи сложного математического механизма эти колебания можно связать с энергией, а значит и с массой, другими словами любая частица возникает в результате того или иного типа колебания квантовой струны.

Проблемы и особенности

Как и любая неподтвержденная теория, теория струн имеет ряд проблем, которые говорят о том, что она требует доработки. В число этих проблем входит, к примеру, таковая - в результате вычислений математически был новый тип частиц, которые не могут существовать в природе – тахионы, квадрат массы которых меньше нуля, а скорость перемещения превышает скорость света.

Другой же важной проблемой, или скорее особенностью есть существование теории струн лишь в 10-мерном пространстве. Почему же мы воспринимаем другие измерения? – Ученые пришли к выводу, что на очень маленьких масштабах эти пространства сворачиваются и замыкаются сами по себе, в результате чего нам не удается их определить.

Развитие

Существует два типа частиц: фермионы - частицы вещества, и бозоны – переносчики взаимодействия. К примеру, фотон является бозоном, переносящим электромагнитное взаимодействие, гравитон – гравитационное, или тот же бозон Хиггса, распространяющий взаимодействие с полем Хиггса. Так вот если теория струн учитывала лишь бозоны, то теория суперструн также учла и фермионы, что позволило избавиться от тахионов.

Конечный вариант принципа суперструн разработан Эдвардом Виттеном и называется «м-теория», согласно которой для объединения всех различных версий суперструнной теории следует ввести 11-тое измерение.

На этом, пожалуй, можно и закончить. Работы по решению проблем и доработки имеющейся математической модели усердно ведутся физиками-теоретиками разных стран мира. Возможно, вскоре мы наконец-то сможем понять структуру окружающего нас мира, однако оглядываясь на объем и сложность вышесказанного, очевидно, что полученное описание мира не будет понятно без определенной базы знаний в области физики и математики.

В конечном счете все элементарные частицы можно представить в виде микроскопических многомерных струн, в которых возбуждены вибрации различных гармоник.

Внимание, пристегните покрепче ремни — и я попробую описать вам одну из самых странных теорий из числа серьезно обсуждаемых сегодня научных кругах, которая способна дать наконец окончательную разгадку устройства Вселенной. Теория эта выглядит настолько дико, что, вполне возможно, она правильна!

Различные версии теории струн сегодня рассматриваются в качестве главных претендентов на звание всеобъемлющей универсальной теории , объясняющей природу всего сущего. А это — своего рода Священный Грааль физиков-теоретиков, занимающихся теорией элементарных частиц и космологии. Универсальная теория (она же теория всего сущего ) содержит всего несколько уравнений, которые объединяют в себе всю совокупность человеческих знаний о характере взаимодействий и свойствах фундаментальных элементов материи, из которых построена Вселенная. Сегодня теорию струн удалось объединить с концепцией суперсимметрии , в результате чего родилась теория суперструн , и на сегодняшний день это максимум того, что удалось добиться в плане объединения теории всех четырех основных взаимодействий (действующих в природе сил). Сама по себе теория суперсимметрии уже построена на основе априорной современной концепции, согласно которой любое дистанционное (полевое) взаимодействие обусловлено обменом частицами-носителями взаимодействия соответствующего рода между взаимодействующими частицами (см. Стандартная модель). Для наглядности взаимодействующие частицы можно считать «кирпичиками» мироздания, а частицы-носители — цементом.

В рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли носителей взаимодействия — калибровочные бозоны , которыми эти кварки обмениваются между собой. Теория же суперсимметрии идет еще дальше и утверждает, что и сами кварки и лептоны не фундаментальны: все они состоят из еще более тяжелых и не открытых экспериментально структур (кирпичиков) материи, скрепленных еще более прочным «цементом» сверхэнергетичных частиц-носителей взаимодействий, нежели кварки в составе адронов и бозонов. Естественно, в лабораторных условиях ни одно из предсказаний теории суперсимметрии до сих пор не проверено, однако гипотетические скрытые компоненты материального мира уже имеют названия — например, сэлектрон (суперсимметричный напарник электрона), скварк и т. д. Существование этих частиц, однако, теориями такого рода предсказывается однозначно.

Картину Вселенной, предлагаемую этими теориями, однако, достаточно легко представить себе наглядно. В масштабах порядка 10 -35 м, то есть на 20 порядков меньше диаметра того же протона, в состав которого входят три связанных кварка, структура материи отличается от привычной нам даже на уровне элементарных частиц. На столь малых расстояниях (и при столь высоких энергиях взаимодействий, что это и представить немыслимо) материя превращается в серию полевых стоячих волн, подобных тем, что возбуждаются в струнах музыкальных инструментов. Подобно гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо основного тона, множество обертонов или гармоник. Каждой гармонике соответствует собственное энергетическое состояние. Согласно принципу относительности (см. Теория относительности), энергия и масса эквивалентны, а значит, чем выше частота гармонической волновой вибрации струны, тем выше его энергия, и тем выше масса наблюдаемой частицы.

Однако, если стоячую волну в гитарной струне представить себе наглядно достаточно просто, стоячие волны, предлагаемые теорией суперструн наглядному представлению поддаются с трудом — дело в том, что колебания суперструн происходят в пространстве, имеющем 11 измерений. Мы привыкли к четырехмерному пространству, которое содержит три пространственных и одно временное измерение (влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад, прошлое-будущее). В пространстве суперструн всё обстоит гораздо сложнее (см. вставку). Физики-теоретики обходят скользкую проблему «лишних» пространственных измерений, утверждая, что они «скрадываются» (или, научным языком выражаясь, «компактифицируются») и потому не наблюдаются при обычных энергиях.

Совсем уже недавно теория струн получила дальнейшее развитие в виде теории многомерных мембран — по сути, это те же струны, но плоские. Как походя пошутил кто-то из ее авторов, мембраны отличаются от струн примерно тем же, чем лапша отличается от вермишели.

Вот, пожалуй, и всё, что можно вкратце рассказать об одной из теорий, не без основания претендующих на сегодняшний день на звание универсальной теории Великого объединения всех силовых взаимодействий. Увы, и эта теория небезгрешна. Прежде всего, она до сих пор не приведена к строгому математическому виду по причине недостаточности математического аппарата для ее приведения в строгое внутреннее соответствие. Прошло уже 20 лет, как эта теория появилась на свет, а непротиворечиво согласовать одни ее аспекты и версии с другими так никому и не удалось. Еще неприятнее то, что никто из теоретиков, предлагающих теорию струн (и, тем более суперструн) до сих пор не предложил ни одного опыта, на котором эти теории можно было бы проверить лабораторно. Увы, боюсь, что до тех пор, пока они этого не сделают, вся их работа так и останется причудливой игрой фантазии и упражнениями в постижении эзотерических знаний за пределами основного русла естествознания.

См. также:

1972	Квантовая хромодинамика

Сколько же всего измерений?

Нам, простым людям, всегда хватало и трех измерений. С незапамятных времен мы привыкли описывать физический мир в столь скромных рамках (саблезубый тигр в 40 метрах спереди, 11 метрах правее и 4 метрах выше меня — булыжник к бою!). Теория относительности приучила большинство из нас к тому, что время — суть четвертое измерение (саблезубый тигр не просто здесь — он здесь и сейчас угрожает нам!). И вот, начиная с середины ХХ века, теоретики повели разговоры, что на самом деле измерений еще больше — не то 10, не то 11, не то вообще 26. Конечно, без объяснений, почему мы, нормальные люди, их не наблюдаем, тут обойтись не могло. И тогда возникла концепция «компактификации» — слипания или схлопывания измерений.

Представим садовый поливочный шланг. Вблизи он воспринимается как нормальный трехмерный объект. Стоит, однако, отойти от шланга на достаточное расстояние — и он представится нам одномерным линейным объектом: его толщину мы попросту перестанем воспринимать. Именно о таком эффекте и принято говорить, как о компактификации измерения: в данном случае «компактифицированной» оказалась толщина шланга — слишком мала шкала масштаба измерения.

Именно так, по утверждениям теоретиков, исчезают из поля нашего экспериментального восприятия реально существующие дополнительные измерения, необходимые для адекватного объяснения свойств материи на субатомном уровне: они компактифицируются, начиная с шкалы масштабов порядка 10 -35 м, и современные методы наблюдения и измерительные приборы просто не в состоянии обнаружить структур столь малого масштаба. Возможно, всё именно так и есть, а возможно, всё обстоит совершенно по-другому. Пока нет таких приборов и методов наблюдения, все вышеприведенные доводы и контрдоводы так и останутся на уровне досужих спекуляций.

В школе мы учили, что материя состоит из атомов, а атомы — из ядер, вокруг которых вращаются электроны. Примерно так же планеты вращаются вокруг солнца, поэтому это нам представить легко. Затем атом расщепили на элементарные частицы, и представить строение вселенной стало сложнее. В масштабе частиц действуют другие законы, и найти аналогию из жизни получается не всегда. Физика стала абстрактной и запутанной.

Но следующий шаг теоретической физики вернул ощущение реальности. Теория струн описала мир в понятиях, которые снова можно представить, а значит, легче понять и запомнить.

Тема все равно непростая, поэтому пойдем по порядку. Сначала разберем, в чем заключается теория, потом попробуем понять, зачем ее придумали. А на десерт — немного истории, у теории струн она короткая, но с двумя революциями.

Вселенная состоит из вибрирующих нитей энергии

До теории струн элементарные частицы считали точками — безразмерными формами с определенными свойствами. Теория струн описывает их как нити энергии, у которых один размер все же есть — длина. Эти одномерные нити назвали квантовыми струнами .

Теоретическая физика

Теоретическая физика
описывает мир с помощью математики, в отличие от экспериментальной физики. Первым физиком-теоретиком был Исаак Ньютон (1642-1727)

Ядро атома с электронами, элементарные частицы и квантовые струны глазами художника. Фрагмент документального фильма «Элегантная вселенная»

Квантовые струны очень малы, их длина порядка 10 -33 см. Это в сто миллионов миллиардов раз меньше протонов, которых сталкивают на Большом адронном коллайдере. Для подобных экспериментов со струнами пришлось бы построить ускоритель размером с галактику. Пока не нашли способ обнаружить струны, но благодаря математике мы можем предположить некоторые их свойства.

Квантовые струны бывают открытыми и закрытыми . У открытых концы свободные, у закрытых замыкаются друг на друга, образуя петли. Струны постоянно «открываются» и «закрываются», соединяются с другими струнами и распадаются на более мелкие.

Квантовые струны натянуты . Натяжение в пространстве происходит благодаря разнице энергии: у закрытых струн между сомкнутыми концами, у открытых — между концами струн и пустотой. Эту пустоту физики называют двумерными гранями измерений, или бранами — от слова мембрана.

сантиметров — минимально возможный размер объекта во вселенной. Его называют планковской длиной

Мы состоим из квантовых струн

Квантовые струны вибрируют . Это колебания, похожие на колебания струн балалайки, с равномерными волнами и целым числом минимумов и максимумов. При вибрации квантовая струна не издает звука, в масштабах элементарных частиц нечему передавать звуковые колебания. Она сама становится частицей: вибрирует с одной частотой — кварк, с другой — глюон, с третьей — фотон. Поэтому квантовая струна — это единый строительный элемент, «кирпичик» вселенной.

Вселенную принято изображать как космос и звезды, но это и наша планета, и мы с вами, и текст на экране, и ягоды в лесу.

Схема струнных колебаний. При любой частоте все волны одинаковые, их количество целое: одна, две и три

Подмосковье, 2016 год. Земляники много — больше только комаров. Они тоже из струн.

А космос — он где-то там. Вернемся к космосу

Итак, в основе вселенной — квантовые струны, одномерные нити энергии, которые вибрируют, меняют размер и форму и обмениваются энергией с другими струнами. Но это не все.

Квантовые струны перемещаются в пространстве . И пространство в масштабах струн — это самая любопытная часть теории.

Квантовые струны перемещаются в 11 измерениях

Теодор Калуца
(1885-1954)

Все началось с Альберта Эйнштейна. Его открытия показали, что время относительно, и объединили его с пространством в единый простанственно-временной континуум. Работы Эйнштейна объяснили гравитацию, движение планет и возникновение черных дыр. Кроме того, они вдохновили современников на новые открытия.

Уравнения Общей теории относительности Эйнштейн опуликовал в 1915-16 годах, а уже в 1919-м польский математик Теодор Калуца попытался применить его расчеты к теории электромагнитного поля. Но возник вопрос: если эйнштейновская гравитация искривляет четыре измерения пространства-времени, что искривляют электромагнитные силы? Вера в Эйнштейна была сильна, и Калуца не усомнился в том, что его уравнения опишут электромагнетизм. Вместо этого он предположил, что электромагнитные силы искривляют дополнительное, пятое измерение. Эйнштейну идея пришлась по душе, но проверки экспериментами теория не прошла и была забыта — до 1960-х.

Альберт Эйнштейн (1879-1955)

Теодор Калуца
(1885-1954)

Теодор Калуца
(1885-1954)

Альберт Эйнштейн
(1879-1955)

Первые уравнения теории струн давали странные результаты. В них появлялись тахионы — частицы с отрицательной массой, которые двигались быстрее скорости света. Здесь и пригодилась идея Калуцы о многомерности вселенной. Правда, пяти измерений не хватило, как не хватило шести, семи или десяти. Математика первой теории струн обретала смысл, только если в нашей вселенной 26 измерений! Более поздним теориям хватило десяти, а в современной их одиннадцать — десять пространственных и время.

Но если так, почему мы не видим дополнительные семь измерений? Ответ прост — они слишком малы. Издалека объемный предмет будет казаться плоским: водопроводная труба покажется лентой, а воздушный шарик — кругом. Даже если бы мы могли увидеть объекты в других измерениях, мы бы не рассмотрели их многомерность. Этот эффект ученые называют компактификацией .

Дополнительные измерения свернуты в неуловимо малые формы пространства-времени — их называют простанствами Калаби-Яу. Издалека выглядит плоским.

Семь дополнительных измерений мы можем представить только в виде математических моделей. Это фантазии, которые построены на известных нам свойствах пространства и времени. При добавлении третьего измерения мир становится объемным, и мы можем обойти препятствие. Возможно, по тому же принципу корректно добавить остальные семь измерений — и тогда по ним можно обогнуть пространство-время и попасть в любую точку любой вселенной в любой момент времени.

измерений во вселенной по первому варианту теории струн — бозонному. Сейчас его считают неактуальным

У линии только одно измерение — длина

Воздушный шарик объемный, у него есть третье измерение — высота. Но для двумерного человечка он выглядит линией

Как двумерный человечек не может представить многомерность, так и мы не можем представить все измерения вселенной

По такой модели квантовые струны путешествуют всегда и везде, а значит, одни и те же струны кодируют свойства всех возможных вселенных от их рождения и до конца времен. К сожалению, наш воздушный шарик плоский. Наш мир — лишь четырехмерная проекция одиннадцатимерной вселенной на видимые масшабы пространства-времени, и мы не можем последовать за струнами.

Когда-нибудь мы увидим Большой Взрыв

Когда-нибудь мы рассчитаем частоту вибраций струн и организацию дополнительных измерений в нашей вселенной. Тогда мы узнаем о ней абсолютно все и сможем увидеть Большой Взрыв или слетать на Альфу Центавра. Но пока это невозможно — нет никаких намеков, на что опереться в расчетах, и найти нужные цифры можно только перебором. Математики подсчитали, что перебрать придется 10 500 вариантов. Теория зашла в тупик.

И все же теория струн еще способна объяснить природу вселенной. Для этого она должна связать все другие теории, стать теорией всего.

Теория струн станет теорией всего. Может быть

Во второй половине XX века физики подтвердили ряд фундаментальных теорий о природе вселенной. Казалось, еще немного — и мы все поймем. Однако главную проблему решить не удается до сих пор: теории прекрасно работают по отдельности, но общей картины не дают.

Главных теорий две: теория относительности и квантовая теория поля.

вариантов организации 11 измерений в пространствах Калаби-Яу — хватит для всех возможных вселенных. Для сравнения, количество атомов в наблюдаемой части вселенной — порядка 10 80

вариантов организации пространств Калаби-Яу — хватит для всех возможных вселенных. Для сравнения, количество атомов в наблюдаемой вселенной — порядка 10 80

Теория относительности
описала гравитационное взаимодействие между планетами и звездами и объяснила феномен черных дыр. Это физика наглядного и логичного мира.

Модель гравитационного взаимодействия Земли и Луны в эйнштейновском пространстве-времени

Квантовая теория поля
определила типы элементарных частиц и описала 3 вида взаимодействия между ними: сильное, слабое и электромагнитное. Это физика хаоса.

Квантовый мир глазами художника. Видео с сайта MiShorts

Квантовую теорию поля с добавлением массы для нейтрино называют Стандартной моделью . Это основная теория строения вселенной на квантовом уровне. Большинство предсказаний теории подтверждается в экспериментах.

Стандартная модель делит все частицы на фермионы и бозоны. Фермионы формируют материю — в эту группу входят все наблюдаемые частицы, такие как кварк и электрон. Бозоны — это силы, которые отвечают за взаимодействие фермионов, например, фотон и глюон. Уже известно два десятка частиц, и ученые продолжают открывать новые.

Логично предположить, что и гравитационное взаимодействие передается своим бозоном. Его пока не нашли, однако описали свойства и придумали название — гравитон .

Но объединить теории не получается. По Стандартной модели, элементарные частицы — безразмерные точки, которые взаимодействуют на нулевых расстояниях. Если это правило применить к гравитону, уравнения дают бесконечные результаты, что лишает их смысла. Это лишь одно из противоречий, но оно хорошо иллюстрирует, как далека одна физика от другой.

Поэтому ученые ищут альтернативную теорию, способную объединить все теории в одну. Такую теорию назвали единой теорией поля, или теорией всего .

Фермионы
формируют все типы материи, кроме темной

Бозоны
переносят энергию между фермионами

Теория струн может объединить научный мир

Теория струн в этой роли выглядит привлекательнее других, так как сходу решает главное противоречие. Квантовые струны вибрируют, поэтому расстояние между ними больше нуля, и невозможных результатов вычислений для гравитона удается избежать. Да и сам гравитон неплохо вписывается в концепцию струн.

Но теория струн не доказана экспериментами, ее достижения остаются на бумаге. Тем удивительнее тот факт, что за 40 лет от нее не отказались — настолько велик ее потенциал. Чтобы понять, почему так происходит, оглянемся назад и посмотрим, как она развивалась.

Теория струн пережила две революции

Габриэле Венециано
(род. 1942)

Поначалу теорию струн вовсе не считали претендентом на объединение физики. Ее и открыли-то случайно. В 1968 году молодой физик-теоретик Габриэле Венециано изучал сильные взаимодействия внутри атомного ядра. Неожиданно он обнаружил, что их неплохо описывает бета-функция Эйлера — набор уравнений, которые за 200 лет до того составил швейцарский математик Леонард Эйлер. Это было странно: в те времена атом считался неделимым, а работа Эйлера решала исключительно математические задачи. Никто не понимал, почему уравнения работают, но ими активно пользовались.

Физический смысл бета-функции Эйлера выяснили два года спустя. Трое физиков, Йохиро Намбу, Хольгер Нильсен и Леонард Сасскинд, предположили, что элементарные частицы могут быть не точками, а одномерными вибрирующими струнами. Сильное взаимодействие для таких объектов уравнения Эйлера описывали идеально. Первый вариант теории струн назвали бозонным, так как он описывал струнную природу бозонов, ответственных за взаимодействия материи, и не касался фермионов, из которых материя состоит.

Теория была сырой. В ней фигурировали тахионы, а основные предсказания противоречили результатам экспериментов. И хотя от тахионов удалось избавиться с помощью многомерности Калуцы, теория струн не прижилась.

• Габриэле Венециано
• Йохиро Намбу
• Хольгер Нильсен
• Леонард Сасскинд
• Джон Шварц
• Майкл Грин
• Эдвард Виттен

• Габриэле Венециано
• Йохиро Намбу
• Хольгер Нильсен
• Леонард Сасскинд
• Джон Шварц
• Майкл Грин
• Эдвард Виттен

Но верные сторонники у теории остались. В 1971 году Пьер Рамон добавил в теорию струн фермионы, сократив количество измерений с 26 до десяти. Это положило начало теории суперсимметрии .

Она гласила, что каждому фермиону соответствует свой бозон, а значит, материя и энергия симметричны. Неважно, что наблюдаемая вселенная несимметрична, говорил Рамон, существуют условия, при которых симметрия все же соблюдается. А если по теории струн фермионы и бозоны кодируются одними и теми же объектами, то в этих условиях материя может превращаться в энергию, и наоборот. Это свойство струн назвали суперсимметричностью, а саму теорию струн — суперструнной.

В 1974 году Джон Шварц и Джоэль Шерк обнаружили, что некоторые свойства струн удивительно точно совпали со свойствами предполагаемого переносчика гравитации — гравитона. С этого момента теория начала всерьез претендовать на обобщающую.

измерений пространства-времени было в первой теории суперструн

«Математическая структура теории струн столь прекрасна и имеет столько поразительных свойств, что, несомненно, должна указывать на что-то более глубокое»

Первая суперструнная революция произошла в 1984 году. Джон Шварц и Майкл Грин представили математическую модель, которая показывала, что многие противоречия между теорией струн и Стандартной моделью устранимы. Новые уравнения также связывали теорию со всеми видами материи и энергии. Научный мир охватила лихорадка — физики бросали свои исследования и переключались на изучение струн.

С 1984 по 1986 года было написано более тысячи работ по теории струн. Они показали, что многие положения Стандартной модели и теории гравитации, которые годами собирались по крупицам, естественным образом вытекают из струнной физики. Исследования убедили ученых, что объединяющая теория не за горами.

«Момент, когда вы знакомитесь с теорией струн и осознаете, что почти все основные достижения физики последнего столетия следуют — и следуют с такой элегантностью — из столь простой отправной точки, ясно демонстрирует вам всю невероятную мощь этой теории»

Но теория струн не спешила раскрывать свои тайны. На месте решенных проблем возникали новые. Ученые обнаружили, что существует не одна, а пять теорий суперструн. В них струны обладали разными типами суперсимметрии, и не было никакой возможности понять, какая из теорий верна.

Математические методы имели свой предел. Физики привыкли к сложным уравнениям, которые не дают точных результатов, однако для теории струн не получалось написать даже точных уравнений. А приближенные результаты приближенных уравнений не давали ответов. Стало ясно, что для изучения теории нужна новая математика, но никто не знал, какая именно. Пыл ученых поутих.

Вторая суперструнная революция прогремела в 1995 году. Конец застою положил доклад Эдварда Виттена на конференции по теории струн в Южной Калифорнии. Виттен показал, что все пять теорий — это частные случаи одной, более общей теории суперструн, в которой не десять измерений, а одиннадцать. Объединяющую теорию Виттен назвал М-теорией, или Матерью всех теорий, от английского слова Mother.

Но важнее было другое. М-теория Виттена настолько хорошо описывала эффект гравитации в теории суперструн, что ее назвали суперсимметричной теорией гравитации, или теорией супергравитации . Это воодушевило ученых, и научные журналы вновь заполнили публикации по струнной физике.

измерений пространства-времени в современной теории суперструн

«Теория струн — это часть физики двадцать первого века, случайно попавшая в век двадцатый. Могут пройти десятилетия, или даже столетия, прежде чем она будет полностью разработана и осознана»

Отголоски этой революции слышны и сегодня. Но несмотря на все усилия ученых, в теории струн больше вопросов, чем ответов. Современная наука пытается построить модели многомерной вселенной и изучает измерения как мембраны пространства. Их называют бранами — помните пустоту, на которой натянуты открытые струны? Предполагают, что и сами струны могут оказаться двух- или трехмерными. Даже говорят о новой 12-мерной фундаментальной теории — F-теории, Отце всех теорий, от слова Father. История теории струн далека от завершения.

Теорию струн пока не доказали — но и не опровергли

Главная проблема теории — в отсутствии прямых доказательств. Да, из нее вытекают другие теории, ученые складывают 2 и 2, и получается 4. Но это не значит, что четверка состоит из двоек. Эксперименты на Большой адронном коллайдере пока не обнаружили и суперсимметрию, что подтвердило бы единую структурную основу вселенной и сыграло бы на руку сторонникам струнной физики. Но нет и опровержений. А потому элегантная математика теории струн продолжает будоражить умы ученых, обещая разгадки всех тайн мироздания.

Говоря о теории струн, нельзя не упомянуть Брайана Грина, профессора Колумбийского университета и неутомимого популяризатора теории. Грин выступает с лекциями и снимается на телевидении. В 2000 году его книга «Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиск окончательной теории» стала финалистом Пулитцеровской премии. В 2011 он сыграл себя в 83-й серии «Теории Большого Взрыва». В 2013 году посетил Московский политехнический институт и дал интервью «Ленте-ру»

Если не хотите становиться знатоком теории струн, но хотите понимать, в каком мире живете, запомните шпаргалку:

1. Вселенная состоит из нитей энергии — квантовых струн, которые вибрируют как струны музыкальных инструментов. Разная частота вибрации превращает струны в разные частицы.
2. Концы струн могут быть свободны, а могут замыкаться друг на друга, образуя петли. Струны все время замыкаются, размыкаются и обмениваются энергией с другими струнами.
3. Квантовые струны существуют в 11-мерной вселенной. Дополнительные 7 измерений свернуты в неуловимо малые формы пространства-времени, поэтому мы их не видим. Это называется компактификацией измерений.
4. Если бы мы узнали, как именно свернуты измерения в нашей вселенной, то, возможно, смогли бы путешествовать во времени и к другим звездам. Но пока это невозможно — слишком много вариантов нужно перебрать. Их бы хватило на все возможные вселенные.
5. Теория струн может объединить все физические теории и открыть нам тайны мироздания — для этого есть все предпосылки. Но пока нет доказательств.
6. Из теории струн логически следуют другие открытия современной науки. К сожалению, это ничего не доказывает.
7. Теория струн пережила две суперструнные революции и многолетние периоды забвения. Одни ученые считают ее научной фантастикой, другие верят, что новые технологии помогут ее доказать.
8. Самое главное: если планируете рассказать о теории струн друзьям, убедитесь, что среди них нет физика — сбережете время и нервы. И будете выглядеть, как Брайан Грин в Политехническом институте:

Всесторонне изучая нашу вселенную, ученые определяют ряд закономерностей, фактов, которые впоследствии становятся законами, доказанными гипотезами. На основе них продолжаются другие исследования способствующие всестороннему изучению мира в цифрах.

Теория струн вселенной – способ представления пространства вселенной, состоящей из неких нитей, которые и называют струнами и бранами. Говоря проще (для чайников), основой мира являются не частицы(как мы знаем), а вибрирующие энергетические элементы называемые струнами и бранами. Размер струны очень и очень мал - примерно 10 -33 см.

Для чего это надо и пригодилось ли? Теория послужила толчком описанию понятия «гравитация».

Теория струн математическая, то есть физическая природа описана уравнениями. Их много, но единого и верного нет. Экспериментально скрытые измерения вселенной еще не удалось определить.

В основу теории положено 5 концепций:

1. Мир состоит из нитей, находящихся в вибрирующем состоянии и энергетических мембран.
2. В теории основой является теорию гравитации и квантовой физики.
3. Теория объединяет все основные силы вселенной.
4. Частицы бозоны и фермионы имеют новый вид связи – суперсимметрию.
5. Теория описывает ненаблюдаемые человеческим глазом измерения во Вселенной.

Лучше понять теорию струн поможет сравнение с гитарой

Впервые о данной теории мир услышал в семидесятых годах ХХ века. Имена ученых в развитии данной гипотезы:

• Виттен;
• Венециано;
• Грин;
• Гросс;
• Каку;
• Малдасена;
• Поляков;
• Сасскинд;
• Шварц.

Энергетические нити считали одномерными — струнами. Это значит, что у струны есть 1 измерение — длина (высоты нет). Различают 2 вида:

• открытые, в которых концы не прикасаются друг к другу;
• замкнутые — петля.

Было установлено, что они могут взаимодействовать и таких вариантов 5. В основе этого лежит возможность соединять, разъединять концы. Невозможно отсутствие кольцевых струн, по причине возможности объединения открытых струн.

Вследствие этого, ученые полагают, что теория способна описать не объединение частиц, а поведение, силу тяжести. Браны или листы рассматривают как элементы, к которым крепятся струны.

• Перевод

В основе теории струн лежит идея о том, что вместо нульмерных элементарных частиц Вселенная состоит из одномерных струн

Теория струн – одна из самых гениальных, противоречивых и недоказанных идей физики. В её основе лежит физический тренд, живущий много столетий – что на некоем фундаментальном уровне все различные силы, частицы, взаимодействия и проявления реальности связываются вместе как разные части одной платформы. Вместо четырёх независимых фундаментальных взаимодействий – сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного – есть одна объединённая теория, охватывающая их всех.

Во многих смыслах, теория струн – лучший кандидат на квантовую теорию гравитации, объединяющую взаимодействия на высочайших уровнях энергий. И хотя тому нет экспериментальных подтверждений, существуют убедительные теоретические причины считать, что это так и есть. В 2015 году крупнейший из живущих специалистов по теории струн, Эдвард Виттен, написал работу о том, что каждый физик должен знать о теории струн. И вот, что она означает – даже если вы не физик.



Разница между стандартными взаимодействиями квантовой теории поля (слева) для точечных частиц и взаимодействиями в теории струн (справа) для закрытых струн.

Удивительно, как иногда много общего встречается в законах природы, касающихся вроде бы не связанных между собой явлений. Математические структуры таких явлений часто очень похожи, а иногда даже идентичны. Притяжение двух массивных тел по законам Ньютона практически идентично притяжению/отталкиванию электрически заряженных частиц. Колебания маятника полностью аналогичны движению массы на пружине или планеты вокруг звезды. Гравитационные волны, волны на воде, световые волны – все они обладают удивительно похожими свойствами, несмотря на то, что происходит из фундаментально различных физических источников. И в том же ключе, хотя многие этого не осознают, квантовая теория одной частицы и подход к квантовой теории гравитации также аналогичны друг другу.

Диаграмма Фейнмана, представляющая рассеяние двух электронов – для этого требуется суммировать все возможные истории взаимодействий частиц

Работает квантовая теория поля так: берём частицу и производим математическое «суммирование всех её историй». Нельзя просто подсчитать, где была частица, и где она сейчас, и как она туда попала – поскольку в природе существует внутренняя и фундаментальная квантовая неопределённость. Вместо этого мы суммируем все возможные способы, которыми она могла прибыть в текущее состояние («прошлая история»), с соответствующими вероятностными весами, а потом подсчитываем квантовое состояние одной частицы.

Чтобы работать с гравитацией, а не с квантовыми частицами, нужно кое-что немного поменять. Поскольку Общая теория относительности Эйнштейна связана не с частицами, а с кривизной пространства-времени, мы не будем усреднять все возможные истории частицы. Вместо этого мы усредняем все возможные геометрии пространства-времени.

Гравитация по правилам Эйнштейна и всё остальное (сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия) по правилам квантовой физики – это два разных набора законов, управляющих всем во Вселенной.

Работать в трёх пространственных измерениях очень тяжело, и когда мы встречаемся со сложной физической проблемой, мы часто пытаемся решить сначала более простую её версию. Если спуститься на одно измерение, всё станет проще. Единственные из возможных одномерных поверхностей – это открытая струна, с двумя отдельными концами, не связанными друг с другом, или закрытая струна, концы которой соединены и формируют петлю. Кроме того, кривизна пространства – очень сложная в трёх измерениях – становится тривиальным вопросом. Поэтому, если мы хотим добавить материю, мы используем набор скалярных полей (точно так же, как для определённого рода частиц) и космологическую константу (работающую точно как член уравнения, отвечающий за массу): прекрасная аналогия.

Дополнительные степени свободы, которая получает частица в нескольких измерениях, не играют особенной роли; пока мы можем определить вектор импульса, это остаётся главным измерением. Поэтому в одном измерении квантовая гравитация выглядит так же, как свободная квантовая частица в любом произвольном количестве измерений.

Граф с вершинами, где сходятся по три ребра – ключевой компонент построения интеграла по траектории, относящегося к одномерной квантовой гравитации

Следующий шаг – включить взаимодействия, и перейти от свободной частицы без амплитуд рассеяния или эффективных поперечных сечений к той, что может иметь физическую роль, связанную со Вселенной. Графы, похожие на приведённый выше, позволяют нам описывать физическую концепцию действия в квантовой гравитации. Если записать все возможные комбинации подобных графов и провести суммирование по ним – применяя те же законы, что и обычно, например, закон сохранения импульса – мы можем завершить аналогию. Квантовая гравитация в одном измерении очень похожа на взаимодействие одной частицы в любом числе измерений.

Вероятность обнаружить квантовую частицу в каком-то определённом месте никогда не равняется 100%; вероятность распределяется по пространству и по времени.

Следующий шаг – перейти от одного пространственного измерения в 3+1 измерения: туда, где у Вселенной есть три пространственных и одно временное измерение. Но этот теоретический «апгрейд» для гравитации может оказаться очень сложным. Можно найти другой подход, если мы решим работать в противоположном направлении.

Вместо подсчёта поведения одной частицы (нульмерной сущности) в любом количестве измерений, возможно, мы могли бы подсчитать поведение струны, открытой или закрытой (одномерной сущности). А исходя из этого уже поискать аналогии к более полной теории квантовой гравитации в более реалистичном количестве измерений.

Диаграммы Фейнмана (вверху) основаны на точечных частицах и их взаимодействиях. Превратив их в аналоги для теории струн (внизу), мы получим поверхности, способные обладать нетривиальной кривизной.

Вместо точек и взаимодействий мы сразу начинаем работать с поверхностями, мембранами, и так далее. Получив настоящую многомерную поверхность, мы можем искривить её нетривиальными способами. Мы начинаем наблюдать у неё очень интересное поведение; такое, которое может находиться в основе кривизны пространства-времени, наблюдаемого во Вселенной в рамках ОТО.

Но хотя одномерная квантовая гравитация даёт нам квантовую теорию поля для частиц в возможно искривлённом пространстве-времени, сама по себе она не описывает гравитацию. Чего не хватает в этой головоломке? Нет соответствия между операторами, или функциями, представляющими квантово-механические взаимодействия и свойства, а также состояния, то есть, как частицы и их свойства изменяются со временем. Это соответствие «операторов-состояний» было необходимым, но недостающим ингредиентом.

Но если перейти от точечных частиц к струнным сущностям, это соответствие проявляется.

Деформирование метрики пространства-времени можно представить флуктуацией ("p"), а если применить её к струнной аналогии, она будет описывать флуктуацию пространства-времени и соответствовать квантовому состоянию струны.

При переходе от частиц к струнам появляется реальное соответствие операторов-состояний. Флуктуация в метрике пространства-времени (то есть, оператор) автоматически представляет состояние в квантово-механическом описании свойств струны. Поэтому квантовую теорию гравитации в пространстве-времени можно создать на основе теории струн.

Но это не всё, что мы получим: мы также получим квантовую гравитацию, объединённую с другими частицами и взаимодействиями в пространстве-времени, с теми, что соответствуют другим операторам струны в теории поля. Также существует оператор, описывающий флуктуации геометрии пространства-времени, а ещё один – для квантовых состояний струны. Самое интересное в теории струн то, что она способна дать нам рабочую квантовую теорию гравитации.

Брайан Грин делает презентацию по теории струн

Всё это не означает, что вопрос решён, и что теория струн – это путь к квантовой гравитации. Великая надежда теории струн состоит в том, что эти аналогии смогут удержаться на всех масштабах, и что появится недвусмысленное соответствие типа «один к одному» струнной картины мира и Вселенной, которую мы наблюдаем вокруг нас.

Пока что картина мира со струнами и суперструнами непротиворечива лишь в нескольких наборах измерений, и наиболее многообещающий из них не даёт нам четырёхмерной гравитации Эйнштейна, описывающей нашу Вселенную. Вместо этого мы обнаруживаем 10-мерную теорию гравитации Бранса - Дикке . Чтобы восстановить гравитацию, имеющуюся в нашей Вселенной, необходимо «избавиться» от шести измерений и устремить константу связи ω к бесконечности.

Если вы слышали термин «компактификация» в приложении к теории струн – это просто слово, обозначающее, что мы должны разгадать эти загадки. Пока что многие люди предполагают существование полного и убедительного решения, подходящего для компактификации. Но вопрос того, как получить Эйнштейновскую гравитацию и 3+1 измерения из 10-мерной теории, остаётся открытым.

Двумерная проекция многообразия Калаби-Яу , одного из популярных методов компактификации дополнительных, ненужных измерений теории струн

Теория струн предлагает путь к квантовой гравитации, с которым могут сравниться немногие альтернативы. Если сделать разумные выводы по поводу того, как работает математика, мы сможем получить из неё как ОТО, так и Стандартную модель. На сегодня это единственная идея, которая даёт нам это – поэтому за ней так отчаянно гонятся. Неважно, выступаете ли вы за успех теории струн или за провал, или как вы относитесь к отсутствию проверяемых предсказаний, она, без сомнения, остаётся одной из наиболее активных областей исследования теоретической физики. По сути, теория струн выделяется, как лидирующая идея среди мечтаний физиков об окончательной теории.

Теги: Добавить метки