В начале XX века были сформированы две несущие опоры современного научного знания. Одной из них является общая теория относительности Эйнштейна, объясняющая явление силы тяжести и структуру пространства-времени. Другая - квантовая механика, описывающая физические процессы сквозь призму вероятности. Объединить эти два подхода призвана теория струн. Кратко и понятно объяснить ее можно, используя аналогии в повседневной жизни.
Теория струн простым языком
Основные положения одной из наиболее известных «теорий всего» сводятся к следующему:
- Основу мироздания составляют протяженные объекты, которые по форме напоминают струны;
- Этим объектам свойственно совершать различные колебания, словно на музыкальном инструменте;
- В результате этих колебаний образуются различные элементарные частицы (кварки, электроны и т.д.).
- Масса полученного объекта прямо пропорциональна амплитуде совершенного колебания;
- Теория помогает по-новому взглянуть на черные дыры;
- Также с помощью нового учения удалось раскрыть силу тяжести во взаимодействиях между фундаментальными частицами;
- В отличии господствующих ныне представлений о четырехмерном мире, в новой теории вводятся дополнительные измерения;
- В настоящее время концепция еще не принята официально в широком научном сообществе. Не известно ни одного эксперимента, который бы подтверждал эту гармоничную и выверенную на бумаге теорию.
Историческая справка
История данной парадигмы охватывает несколько десятилетий интенсивных исследований. Благодаря совместным усилиям физиков по всему миру, была разработана стройная теория, включающая концепции конденсированных сред, космологию и теоретическую математику.
Основные этапы ее развития:
- 1943-1959 гг. Появилось учение Вернера Гейзенберга об s-матрице, в рамках которого предлагалось отбросить понятия пространства и времени для квантовых явлений. Гейзенберг впервые обнаружил, что участники сильных взаимодействий представляют собой протяженные объекты, а не точки;
- 1959-1968 гг. Были обнаружены частицы с высокими спинами (моментами вращения). Итальянский физик Туллио Редже предложит группировать квантовые состояния в траектории (которые были названы его именем);
- 1968-1974 гг. Гарибрэле Венециано предложил модель двойного резонанса для описания сильных взаимодействий. Есиро Намбу развил эту идею и описал ядерные силы как вибрационные одномерные струны;
- 1974-1994 гг. Открытие суперструн, во многом благодаря работам российского ученого Александра Полякова;
- 1994-2003 гг. Появление М-теории, допустила большее, чем 11, количество измерений;
- 2003 - н. в. Майкл Дуглас разработал ландшафтную теорию струн с понятием ложного вакуума .
Теория квантовых струн
Ключевыми объектами в новой научной парадигме являются тончайшие объекты , которые своими колебательными движениями сообщают массу и заряд всякой элементарной частице.
Основные свойства струн согласно современным представлениям:
- Длина их чрезвычайно мала - около 10 -35 метров. В подобном масштабе становятся различимы квантовые взаимодействия;
- Однако в обыкновенных лабораторных условиях, которые не имеют дела с такими мелкими объектами, струна абсолютно неотличима от безразмерного точечного объекта;
- Важной характеристикой струнного объекта является ориентация. Струны, обладающие ей, имеют пару с противоположным направлением. Существуют также неориентированные экземпляры.
Струны могут существовать как в виде отрезка, ограниченного с обоих концов, так и в виде замкнутой петли. Причем возможны такие превращения:
- Отрезок или петля могут «размножиться», дав начало паре соответствующих объектов;
- Отрезок дает начало петле, если часть его «закольцуется»;
- Петля разрывается и становится открытой струной;
- Два отрезка обмениваются сегментами.
Прочие фундаментальные объекты
В 1995 году оказалось, что не одни только одномерные объекты являются кирпичиками нашего мироздания. Было предсказано существование необычных формаций - бранов - в виде цилиндра или объемного кольца, которые имеют такие особенности:
- Они в несколько миллиардов раз меньше атомов;
- Могут распространяться через пространство и время, имеют массу и заряд;
- В нашей Вселенной они представляют собой трехмерные объекты. Однако предполагают, что их форма гораздо более загадочна, поскольку значительная их часть может простираться в другие измерения;
- Многомерное пространство, которое скрывается под бранами, является гиперпространством;
- С этими структурами связывают существование частиц, являющихся переносчиками силы тяжести - гравитонов. Они свободно отделяются от бранов и плавно перетекают в другие измерения;
- На бранах локализованных также электромагнитные, ядерные и слабые взаимодействия;
- Наиболее важной разновидностью являются D-браны. На их поверхности крепятся конечные точки открытой струны в тот момент, когда она проходит сквозь пространство.
Критические замечания
Как и всякая научная революция, эта пробивается сквозь тернии непонимания и критики со стороны адептов традиционных взглядов.
Среди наиболее часто высказываемых замечаний:
- Введение дополнительных измерений пространства-времени создает гипотетическую возможность существования огромного количества вселенных. По словам математика Питера Вольта, это приводит к невозможности предсказания любых процессов или явлений. Всякий эксперимент запускает большое количество различных сценариев, которые могут быть интерпретированы различными способами;
- Отсутствует возможность подтверждения. Современный уровень развития техники не позволяет экспериментально подтвердить или опровергнуть кабинетные исследования;
- Последние наблюдения за астрономическими объектами не волне укладываются в положения теории, что заставляет ученых пересматривать некоторые свои выводы;
- Ряд физиков высказывают мнение, что концепция является спекулятивной и тормозит развитие других фундаментальных представлений.
Пожалуй, легче доказать теорему Ферма, чем простыми словами разъяснить положения теории струн. Математический аппарат ее столь обширен, что понять ее под силу лишь маститым ученым из крупнейших НИИ.
До сих пор не ясно, найдут ли реальное применение сделанные за последние десятки лет на кончике пера открытия. Если да, то нас ждет дивный новый мир с антигравитацией, множеством вселенных и разгадкой природы черных дыр.
Видео: теория струн кратко и доступно
В данном ролике физик Станислав Ефремов расскажет простыми словами, в чем заключается теория струн:
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:
- Мир состоит из нитей, находящихся в вибрирующем состоянии и энергетических мембран.
- В теории основой является теорию гравитации и квантовой физики.
- Теория объединяет все основные силы вселенной.
- Частицы бозоны и фермионы имеют новый вид связи – суперсимметрию.
- 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.
Вас заинтересует
Квантовая гравитация
В физике существует квантовый закон и общая теория относительности. Квантовая физика изучает частицы в масштабах вселенной. Гипотезы в ней называются теориями квантовой гравитации среди наиболее важных считают струнную.
Замкнутые нити в ней работают соответственно силам тяжести, обладая свойствами гравитона — частица, которая переносит свойства между частицами.
Объединение сил . Теория включает объединенные силы в одну – электромагнитную, ядерную, гравитационную. Ученые считают, что именно так было раньше, до того как силы разделили.
Суперсимметрия . Согласно понятию суперсимметрии, между бозонами и фермионами (структурными единицами вселенной) есть связь. Для каждого из бозонов существует фермион, верно и обратное: для фермиона есть бозон. Рассчитано это на основе уравнений, но не подтверждено экспериментально. Плюсом суперсимметрии является возможность исключения некоторых переменных (бесконечных, мнимых энергетических уровней).
По мнению физиков, причиной отсутствия возможности доказать суперсимметрию является причина необходимости большой энергии, связанной с массой. Она была раньше, до периода снижения температуры во вселенной. После Большого взрыва произошло рассеивание энергии и переход частиц на более низкие энергетические уровни.
Говоря проще, струны, которые могли вибрировать со свойствами частиц с большой энергией, утратив ее, стали низко вибрационными.
Создавая ускорители частиц, ученые хотят определить супер симметричные элементы с необходимым энергетическим уровнем.
Дополнительные измерения теории струн
Следствием теории струн является математическое представление, согласно которому должно быть больше 3 измерений. Первое объяснение этого – дополнительные измерения стали компактными, маленькими вследствие чего их нельзя увидеть, воспринять.
Мы существуем в трехмерной бране, став отрезанными от других измерений. Только возможность использовать математическое моделирование дала надежду на получение координат, которые бы связали их. Последние исследования в этой области дают возможность предполагать появление новых оптимистических данных.
Простое понимание цели
Ученые всего мира, исследуя супер струны, стараются обосновать теорию относительно всей физической реальности. Единая гипотеза могла бы все характеризовать на фундаментальном уровне, объяснив вопросы устройства планеты.
Теория струн появилась при описании адронов, частиц с высшими колебательными состояниями струны. Если говорить коротко, то она легко поясняет переход длины в массу.
Теорий суперструн много. Сегодня не известно достоверно, возможно ли с помощью нее объяснить теорию пространства времени точнее Эйнштейна. Проведенные измерения точных данных не дают. Одни из них, касающиеся пространства времени, являлись следствием взаимодействий струн, но в конечном счете были подвержены критике.
Теория гравитации станет основным следствием описываемой теории в случае ее подтверждения.
Струны и браны стали толчком к появлению более 10 тысяч вариантов суждений о вселенной. Книги по теории струн есть в общем доступе в интернете, подробно и понятно описывается авторами:
- Яу Шинтан;
- Стив Надис «Теория струн и скрытые измерения Вселенной»;
- Говорится об этом и у Брайана Грина в «Элегантной Вселенной».
Мнения, доказательства, рассуждения и все мельчайшие подробности можно узнать, заглянув в одну из многих книг, которые доступно и интересно дают понять информацию о мире. Физики объясняют существующую вселенную нашим нахождением, существованием других вселенных (даже аналогичных нашей). По Эйнштейну, есть свернутый вариант пространства.
В теории суперструн могут соединяться точки параллельных миров. Установленные законы в физике дают надежду на возможность перехода среди вселенных. Одновременно с этим, квантовая теория гравитации нивелирует это.
Физики говорят и о голографической фиксации данных, когда они записываются на поверхности. Это в будущем даст толчок к пониманию суждения об энергетических нитях. Есть суждения о множественности измерений времени и возможности перемещении в нем. Гипотеза большого взрыва по причине столкновения 2 бран говорит о возможности повторения циклов.
Мироздание, появление всего и постепенное преобразование всего всегда занимало выдающиеся умы человечества. Новые открытия были, есть и будут. Конечная трактовка теории струн даст возможность определить плотность материи, космологическую постоянную.
Благодаря этому, определят способность вселенной сжиматься до последующего момента взрыва и нового начала всего. Теории разрабатывают, доказывают и они к чему-то приводят. Так, уравнение Эйнштейна, описывающее зависимость энергии от массы и квадрата скорости света E=mc^2 впоследствии стало толчком к появлению ядерного оружия. После этого изобрели и лазер, транзистор. Сегодня неизвестно чего ждать, но к чему-то это непременно приведет.
Красивым поэтическим словосочетанием «теория струн» названо одно из направлений в теоретической физики, объединяющее в себе идеи теории относительности и квантовую механику. Данное направление физики занимается изучением квантовых струн – то есть одномерных протяженных объектов. В этом состоит его основное отличие от множества других разделов физики, в которых изучается динамика точечных частиц.
В своей основе Теория струн отрицает и утверждает, что Вселенная существовала всегда. То есть, Вселенная представляла собой не бесконечно малую точку, а струну с бесконечно малой длиной, при этом теория струн гласит о том, что мы живем в десятимерном пространстве, хотя ощущаем всего лишь 3-4. Остальные существуют в свернутом состоянии, и если вы решили задать вопрос: «Когда же они будут разворачиваться, и произойдет ли это вообще когда-нибудь?», то ответа вы не получите.
Математика его попросту не нашла – струнную теорию невозможно доказать опытным путем. Правда, были попытки разработать универсальную теорию, чтобы можно было проверять ее практически. Но чтобы это случилось, ее нужно сделать настолько упрощенной, чтобы она доходила до нашего уровня восприятия реальности. Тогда идея проверки полностью лишается смысла.
Основные критерии и понятия теории струн
Теория относительности говорит о том, что наша Вселенная – это плоскость, а квантовая механика заявляет, что на микроуровне происходит бесконечное движение, из-за которого искривляется пространство. А теория струн пытается соединить эти два предположения, и в соответствии с ней, элементарные частицы представляются в виде специальных компонентов в составе каждого атома – оригинальных струн, являющихся своеобразными ультрамикроскопическими волокнами. Элементарные частицы при этом обладают свойствами, которые объясняет резонансное колебание образующих эти частицы волокон. Подобными типами волокон осуществляются вибрации в бесконечном количестве.
Для более точного понимания сути, простой обыватель может представить себе струны обычных музыкальных инструментов, которые могут в разное время натягиваться, успешно сворачиваться, постоянно вибрировать. Такими же свойствами обладают нити, взаимодействующие друг с другом при определенных вибрациях.
Сворачиваясь в стандартные петли, нити образуют более крупные разновидности частиц – кварки, электроны, чья масса уже будет напрямую зависеть от уровня натянутости и частоты вибрации волокон. Так что энергию струн соотносят именно с этими критериями. Масса элементарных частиц будет выше при большем количестве излучаемой энергии.
Насущные проблемы теории струн
При изучении теории струн ученые многих стран периодически сталкивались с целым рядом проблем и нерешаемых вопросов. Самым важным моментом можно считать недостаток математических формул, поэтому придать теории завершенный вид специалистам пока не удается.
Второй существенной проблемой является подтверждение сутью теории наличия 10-ти измерений, когда на самом деле ощутить мы можем всего 4 из них. Предположительно остальные 6 из них существуют в скрученном состоянии, и в реальном времени ощутить их не представляется возможным. Поэтому, хотя опровержение теории в корне невозможно, экспериментальное подтверждение пока тоже представляется довольно затруднительным.
При этом исследование теории струн стало явным толчком для развития оригинальных математических конструкций, а также топологии. Физика с ее теоретическими направлениями довольно прочно укоренилась в математике также с помощью изучаемой теории. Более того, сущность современной квантовой гравитации и материи смогли досконально понять, начав изучать гораздо глубже, чем было возможно до этого.
Поэтому исследования теории струн продолжаются непрерывно, а результатом многочисленных экспериментов, включая испытания на Большом адронном коллайдере, могут стать недостающие понятия и элементы. В этом случае физическая теория будет абсолютно доказанным и общепринятым явлением.
Наука является необъятной сферой и огромное количество исследований и открытий проводится ежедневно, при этом стоит заметить, что некоторые теории вроде и являются интересными, но при этом они не имеют реальных подтверждений и как бы «висят в воздухе».
Что такое теория струн?
Физическая теория, представляющая частицы в форме вибрации, называется теорией струн. У этих волн есть только один параметр – долгота, а высота и ширина отсутствуют. Выясняя, что это теория струн, следует рассмотреть основные гипотезы, которые она описывает.
- Предполагается, что все вокруг состоят из нитей, которые вибрируют, и мембран энергии.
- Пытается соединить воедино общую теорию относительности и квантовую физику.
- Теория струн дает шанс объединить все фундаментальные силы Вселенной.
- Предсказывает симметричную связь между разными типами частиц: бозонами и фермионами.
- Дает шанс описать и представить измерения Вселенной, которые ранее не наблюдались.
Теория струн – кто открыл?
- Впервые в 1960 году квантовая теория струн была создана, чтобы объяснить явление в адронной физике. В это время ее развивали: Г. Венециано, Л. Сасскинд, Т. Гото и другие.
- Рассказал, что такое теория струн, ученый Д. Шварц, Ж. Шерк и Т. Енэ, поскольку они разрабатывали гипотезу бозонных струн, а произошло это через 10 лет.
- В 1980 года два ученых: М. Грин и Д. Шварц выделили теорию суперструн, которые обладали уникальными симметриями.
- Исследования предложенной гипотезы проводятся и по сей день, но доказать ее пока не удалось.
Теория струн – философия
Есть философское направление, которое имеет связь с теорией струн, а называют его монадой. Она подразумевает использование символов для того, чтобы компактифицировать любой объем информации. Монада и теория струн в философии используют противоположности и двойственности. Самый популярный простой символ монады – Инь-Янь. Специалисты предложили изобразить теорию струн на объемной, а не на плоской монаде и тогда струны будут являться реальностью, хоть их длинна и будет мизерной.
Если используется объемная монада, то линия, разделяющая Инь-Янь, будет плоскостью, а применяя многомерную монаду, получают свернутый в спираль объем. Пока нет работы по философии, касающейся многомерных монад - это сфера для изучения в будущем. Философы считают, что познание является бесконечным процессом и при попытке создать единую модель мироздания, человек еще не раз удивится и изменит свои базисные понятия.
Недостатки теории струн
Поскольку гипотеза, предложенная рядом ученых, является неподтвержденной, то вполне объяснимо наличие ряда проблем, указывающих на необходимость ее доработки.
- Имеет теория струн заблуждения, например, при вычислениях был обнаружен новый тип частиц – тахионы, но они не могут существовать в природе, поскольку квадрат их массы меньше нуля, а скорость перемещения больше скорости света.
- Теория струн может существовать только в десятимерном пространстве, но тогда актуальным является вопрос – почему человек не воспринимает другие измерения?
Теория струн – доказательство
Две основные физические конвенции, на которых строятся научные подтверждения, на самом деле противостоят друг другу, поскольку они по-разному представляют строение мироздания на микроуровне. Чтобы их примерить, была предложена теория космических струн. По многим параметрам она выглядит достоверной и не только на словах, но и по математическим расчетам, но на сегодняшний день у человека нет возможности практически доказать ее. Если струны существуют, что они находятся на микроскопическом уровне, и пока нет технических возможностей, чтобы их распознать.
Теория струн и Бог
Известный физик-теоретик М. Каку предложил теорию, в которой он при помощи гипотезы струн доказывает существование Господа. Он пришел к выводу, что все в мире действует согласно определенным законам и правилам, установленным единым Разумом. По словам Каку теория струн и скрытые измерения Вселенной помогут создать уравнение, объединяющее все силы природы и позволяющее понимать разум Бога. Упор своей гипотезы он делает на частицах тахионах, которые движутся быстрее света. Еще Эйнштейн говорил о том, что если обнаружить такие части, то можно будет двигать время назад.
Проведя ряд экспериментов, Каку сделал вывод, что жизнь человека управляется стабильными законами, а не реагирует на космические случайности. Теория струн в жизни существует, и она связана с неизвестной силой, которая контролирует жизнь и делает ее целостной. По его мнению, это и есть . Каку уверен, что Вселенная представляет собой вибрирующие струны, которые исходят из разума Всевышнего.
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:
- Вселенная состоит из нитей энергии — квантовых струн, которые вибрируют как струны музыкальных инструментов. Разная частота вибрации превращает струны в разные частицы.
- Концы струн могут быть свободны, а могут замыкаться друг на друга, образуя петли. Струны все время замыкаются, размыкаются и обмениваются энергией с другими струнами.
- 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.
- 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.
- Теория струн может объединить все физические теории и открыть нам тайны мироздания — для этого есть все предпосылки. Но пока нет доказательств.
- Из теории струн логически следуют другие открытия современной науки. К сожалению, это ничего не доказывает.
- Теория струн пережила две суперструнные революции и многолетние периоды забвения. Одни ученые считают ее научной фантастикой, другие верят, что новые технологии помогут ее доказать.
- 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: