Всё в мире начинается со слова. Всё в физике начинается с конфликта. У истоков возникновения теории струн стоит столкновение двух спокойно сосуществующих на расстоянии и противоречащих друг другу при сопоставлении теорий – Общей теории относительности и Квантовой теории поля. Теория относительности объясняет природу гравитации и хорошо работает на макро-расстояниях. Квантовая же теория поля работает только на микро-расстояниях. Так неужели наша физическая реальность способна допустить такое несоответствие? Должна же быть теория, работающая одинаково хорошо на всех расстояниях.
Теория струн, Ваш выход.
Всё началось с расчетов энергии излучения абсолютно черного поглощающего любую энергию тела. Эта энергия по логике должна быть бесконечно большой. Чтобы уйти от столь явного абсурда, немецкий ученый Макс Планк в 1900 году предположил, что видимый свет, рентгеновские лучи и другие излучения могут испускаться только небольшими порциями энергии, которые он назвал квантами. С их помощью удалось решить частную проблему абсолютно черного тела. Однако каковы последствия квантовой гипотезы для всего остального уже доказанного физикой? Проблему решил другой немецкий ученый Вернер Гейзенберг, сформулировавший в 1926 году знаменитый принцип неопределенности. Суть его, "ломающая" господствующие тогда теории, объясняла, что природа ограничивает нашу способность предсказывать будущее на основе физических законов. Выяснилось, что субатомные частицы ведут себя совершенно не так, как всë остальное в окружающем нас макромире.
Мир крошечных частиц настолько бурный и непонятный, что это противоречит здравому смыслу. Пространство и время в нем настолько искривлены и переплетены, что там нет обычных понятий левого и правого, верха и низа, и даже до и после.
Невозможно утверждать с уверенностью, где именно находится в данный момент та или иная частица и каков при этом момент её импульса. Существует лишь некая вероятность нахождения частицы во множестве ответвлений пространство-времени. Частицы словно «размазываются» по пространству. Не определен и сам «статус» частиц: они то проявляют свои исконные свойства, то ведут себя, как волны. Физики называют это страшным термином корпускулярно-волновой дуализм квантовой механики.
Общая теория относительности, в свою очередь, диктует диаметрально противоположные постулаты. Пространство подобно батуту изгибается под обладающими массой объектами. Они деформируют пространство и время – мы называем это то самой «беспощадной же ты…» гравитацией. Абсолютно логичной, выстроенной по всем правилам теории относительности палки в колеса вставляет «взбалмошная» квантовая механика, макромир не может войти в примирение с макромиром.
Необходимо Ваше вмешательство, Теория струн.
Самое время исполнить мечту, до конца дней не дававшую покоя бесконечно радеющему за это несоответствие человеку. Этим человеком был Альберт Эйнштейн.
Многие ученые уверены, что всё, начиная буйством галактик, заканчивая хаотичным танцем субатомных частиц, можно объединить одним фундаментальным физическим принципом, может быть даже законом.
Теория относительности выставляет нерушимый аргумент – гравитацию. Квантовая механика добавляет сильное ядерное взаимодействие, «склеивающее» протоны и нейтроны в атомах, электромагнетизм и слабое взаимодействие реактивного распада. Последние два сложнейшими математическими расчетами объединили в одну общую природу – электрослабое взаимодействие. Сильное ядерное взаимодействие прекрасно вписывается к нему, но как же быть с гравитацией? Теорию струн недаром называют «Теорией Всего»; подобно аватару, она призвана к тому, чтобы объединить все четыре силы.
Однако далеко не все физики поддерживают теорию струн. Даже её рождение напоминает легенду. В конце 1960-х годов итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано искал уравнения, которые смогли бы объяснить сильные ядерные взаимодействия – мощную «склейку», скрепляющую ядра атомов. Как-то раз случайно он наткнулся на пыльную книгу по истории математики. Книга содержала функцию двухсотлетней давности, впервые записанную швейцарским математиком Леонардом Эйлером. К огромному удивлению Венециано, функция Эйлера, долгое время считающаяся математической диковинкой, описывала это сильное взаимодействие. Но это всё всего лишь легенда, и скорее всего формула была результатом долгих лет работы Венециано.
Формула обрела новую жизнь, попавшись на глаза молодому американскому физику-теоретику Леонарду Сасскинду. Сасскинд заметил, что в первую очередь формула описывала вибрирующие частицы. К тому же они не имели внутренней структуры. И не могли быть просто точечными. Формула описывала подобную резинке упругую нить. Нить, способную растягиваться и сжиматься, колебаться и извиваться. Сасскинд описал явление и представил ту самую революционную теорию.
Жаль, многие коллеги приняли её весьма прохладно. Это шло в разнос с классическим представлением о частицах как о точках, не струнах. Годами физики исследовали поведение субатомных частиц, сталкивая их на высоких скоростях и изучая последствия этих столкновений. Вселенная бесконечна, это мы знаем давно, но чтоб настолько…
Благодаря открытию произошел настоящий «демографический» взрыв элементарных частиц. По коридорам физических вузов ураганом пронеслась «эврика»: открыты новые частицы. Однако ученым до сих пор было невдомек – зачем их так много и откуда они берутся?
Далее – новое открытие или, вернее сказать, предсказание – силы, действующие в природе, также можно объяснить с помощью частиц. Есть частицы материи и есть частицы-переносчики взаимодействий. К примеру, фотон – частица света. Чем их больше, тем ярче свет.
Экспериментами подтвердилось предположение, что именно обмен частицами-переносчиками –не что иное, как то, что мы воспринимаем как силу. Так физики приблизились к мечте Эйнштейна по объединению сил.
Если мы перенесемся сейчас к моменту сразу после Большого взрыва, когда Вселенная была на триллионы градусов горячее, частицы-переносчики электромагнетизма и слабого взаимодействия станут неразличимы и объединятся в одну-единственную силу, называемую электрослабой.
Если копнуть еще дальше по времени, электрослабое взаимодействие соединилось бы с сильным в одну суммарную «суперсилу».
Само собой, это всё еще ждет своих доказательств, но всё-таки квантовой механике удалось объяснить, как три и четырех сил взаимодействуют на субатомном уровне. Причем красиво и логично. Эта выверенная и четкая картина взаимодействий получила название Стандартная модель. Однако и в этой совершенной теории нашелся изъян – она не включала в себя самую известную силу макроуровня – да-да, уже порядком набившую оскомину гравитацию.
Не успевшая «расцвести», ты снова впадаешь в немилость, Теория струн.
Слишком уж много несостыковок она содержала в себе на заре зарождения. Выкладки теории предсказали существование частиц, которых, как точно установили вскоре, не существует. К примеру, тахион – частица, которая движется в вакууме быстрее света. К тому же, как оказалось, теория требует целых десять измерений. Естественно, такая вопиющая наглость не могла не смущать физиков.
Что же ждало теорию струн в дальнейшем? К 1973 году только несколько молодых физиков продолжали бороться с её загадочными выкладками. Американский физик-теоретик Джон Шварц в течение четырех лет пытался «приручить» непослушные уравнения, но безуспешно. Одно из уравнений описывало таинственную частицу, не имеющую массу и не наблюдаемую в природе. Ученый почти было сдался, но вдруг его осенило – может быть, это уравнение и описывает пресловутую гравитацию? Для подтверждения необходимо было пересмотреть главных «действующих лиц» теории струн. Струны подразумевались размером в миллиарды раз меньше атомов, что превращало недостаток теории в её достоинство. Таинственная частица обрела название гравитон и выступила в роли того самого сгладившегося несостыковки элемента, переносящего гравитацию на квантовый уровень. Увы, научное сообщество не оценило по достоинству данное открытие.
Теория струн, не сдавай позиции.
В команду к не отчаявшемуся Шварцу присоединился Майкл Грин. В начале восьмидесятых они вместе принялись за устранение существующих аномалий. Они умудрились побороть несколько противоречий, и вот оно…
Вот оно, долгожданное признание!
Реакция ученого сообщества взорвала научный мирю меньше, чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотни. Казалось, теория струн, Теория Всего, способна описать мироздание и все его составляющие. Какие именно? Рассмотрим внимательнее.
Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц – электронов, которые крутятся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Те, в свою очередь, состоят из «абсолютного минимума» – кварков. Согласно теории струн, на кварках дело не заканчивается. Кварки состоят из крошечных нитей энергии, тех самых струн. Каждая из них невообразимо мала. Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров Солнечной системы, струны были бы размером с дерево. Подобно колеблющимся струнам скрипки, создающим разные звуки, различные способы (моды) вибрации струн Вселенной придают их частицам уникальные свойства – массу, заряд и прочее. Условно говоря, протоны вашего зрачка отличаются от пока не открытого гравитона только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются.
Можно понять возмущение консервативных ученых. С момента начала физики как науки они привыкали к тому, что всё в мире состоит из чего-то наподобие шаров, в виде которых условно обозначаются атомы. Не успев привыкнуть к несостыковкам поведения этих шаров в квантовой механике, учебные лоб в лоб столкнулись с необходимостью оставить парадигму и оперировать какими-то «обрывками лески»…
Основная текущая проблема теории струн – отсутствие какой-либо возможности в ближайшее время её проверить экспериментально. Разглядеть микроструны не способен ни один ни существующий, ни способный появиться в перспективе инструмент. Встает резонный вопрос – теория струн – это всё-таки физика или философия? Человеческому глазу струны не разглядеть, для доказательства их требуется что-то из научной фантастики – подтверждение существования дополнительных измерений пространства. Мы все привыкли к трем измерениям пространства и одному – времени. Для того, чтобы разобраться, отнесемся на более чем сто лет назад. В 1919 году немецкому математику Теодору Калуце пришла в голову идея о существовании других измерений. Идею активно поддержал Эйнштейн, однако позже засомневался и задержал выход статьи Калуцы на целых два года.
Статья всего-таки увидела свет, а дополнительное измерение стало своеобразным увлечением гения физики.
Калуца поставил вопрос – если гравитация не что иное, как деформация измерений пространства-времени, электромагнетизм тоже может быть рябью, а не наблюдаем мы её потому, что она существует в дополнительном скрытом измерении. Объяснение нашлось у шведского физика Оскара Клейна, предположившего, что пятое измерение Калуцы свернуто в миллиарды раз сильнее, чем размеры одного атома. Идея о существовании крошечного измерения, находящегося повсюду, легло в основу теории струн. Более того, уравнения теории струн требуют даже не одного, а целых шести дополнительных измерений (вместо с известными четырьмя получаем ровно десять). Все они имеют закрученную искривленную форму. Все – невообразимо малы.
Крошечные измерения влияют на большой мир посредством формы. Объясним – когда вы нажимаете на клавиши фортепиано, получаете разные звуки. Нажатием той или иной клавиши вы меняете форму пространства в музыкальном инструменте. Так и рождаются звуки. Искривленные и закрученные измерения пространства появляются по примерно тому же принципу. Формы измерений сложны и многообразны, и каждое заставляет вибрировать струну, находящуюся внутри, по-разному.
Предположим, к примеру, что одна струна вибрирует внутри бутылки, а другая внутри барабаны – это будут совершенно разные вибрации. На деле, конечно же, формы дополнительных измерений куда сложнее бутылки.
Сегодня наука обладает набором чисел, которые являются фундаментальными постоянными Вселенной. Именно они определяют свойства и характеристики всего вокруг нас. Это такие константы, как, например, заряд электрона, гравитационная постоянная, скорость света в вакууме и другие. Изменения этих чисел даже в незначительное число раз может обернуться фатально. Что же произойдет, если мы увеличим силу электромагнитного взаимодействия? Это может привести к тому, что ионы начнут сильнее отталкиваться друг от друга, и термоядерный синтез, который заставляет звезды светить и излучать тепло, вдруг даст сбой. И звезды погаснут. Немного напоминает эффект бабочки.
Какое к этому имеет отношение теория струн с её дополнительными измерениями? Согласно ей, именно дополнительные измерения определяют точное значение фундаментальных констант. Одни формы измерений заставляют одну струну вибрировать определенным образом, и порождают то, что мы видим, как фотон. В других формах струны вибрируют по-другому и порождают электрон. Дьявол, но в данном случае это скорее бог, скрывается в мелочах: именно эти крошечные формы определяют все основополагающие константы этого мира.
Теория струн становится теорией суперструн?
К середине восьмидесятых годов теория струн сгладила хотя бы несколько острых углов, оформилась и приобрела свой современный вид. Однако никуда не делась путаница многих аспектов. Так за пару лет возникло целых пять версий теории струн. И хотя каждая из них построена на струнах и дополнительных измерениях, в деталях эти версии расходятся значительно.
В одних версиях струны имели открытые концы, в других – напоминали скругленные кольца. Некоторые варианты теории запрашивали даже не 10, а целых 26 измерений. Парадокс в том, что все пять версий на сегодняшний день можно назвать одинаково верными. Но какая из них действительно описывает нашу Вселенную? Это очередная загадка теории струн. Именно поэтому многие физики снова махнули рукой на «сумасбродную» теорию.
Основная проблема теории струн имеет место быть и по сей день, а с учетом прогнозов не потеряет актуальность и в обозримом будущем. Да, это невозможность обосновать и доказать выкладки теории экспериментально. Теория струн для многих остается мифичным мракобесным учением, не стоящим серьезных исследований.
Среди некоторых ученых, однако, сохраняется версия, что следующее поколение ускорителей предоставит минимальную, но все же возможность проверить гипотезу о дополнительных измерениях. Прогресс идёт в гору семимильными шагами, но наших сил всё еще не хватает, и, возможно, не хватит и в ближайшую сотню лет, чтобы приоткрыть завесу тайны над самой неоднозначной, нелогичной, хромающей по многим пунктам, но столь притягательной теорией. Теорией, что может перевернуть всё изученное и доказанное мировой физикой с момента её начала. Теорией, способной объяснить вообще всё. Теорией, до которой человечеству еще только предстоит дорости…
Поделиться Сохранить в закладках
Ещё
12 просмотров3 упоминания
27 окт в 18:56
