Теория струн известна тем, что претендует на звание "Теории Всего". И теоретически может объяснить абсолютно все во Вселенной, начиная от устройства атома и заканчивая галактиками и всего нашего космоса. Звучит это очень пафосно и внушительно. Но соответствует ли это действительности?
Давайте разбираться!
Нет, на самом деле теория струн имеет много натяжек, допущений и условностей. Хотя многие ее аспекты просто недоказуемы, ее главная ценность в том, что она позволила заново переосмыслить наш мир, взглянув на него в ином свете.
Что бы понимать причины существования теории струн, как таковой, нужно понимать то, что физика развивается циклично. Раз за разом возникают все новые и новые "теории всего". И по мере развития научного знания, накопления фактов о мире, актуальная теория всего устаревает и требует замены на что-то лучшее, современное и новое.
Так родилась необходимость в новой теории в середине прошлого века. И ей стала прото-теория струн.
На данный момент наука пришла к тому, что в основе всего существуют 17 частиц, которые лежат в основании всего во Вселенной. Их совокупность называется Стандартной Моделью (СТ). Частицы, входящие в СТ формируют все то, что есть в нашем мире. Материю, электричество, магнетизм и все остальное.
U и D кварки образуют нейтроны и протоны. E - электрон. Совокупность этого дает атомы, материю, как таковую. Химические соединения Вселенной. Нашу планету, Солнце, наши тела.
Глюон, фотон, а также Z и W бозоны - это переносчики взаимодействия. Обмениваясь ими, частицы притягиваются и отталкиваются друг от друга. Именно это формирует форму, размер, силы ядер атомов и всех молекул.
Все это - состав нашей Вселенной. Состав всего, из чего она состоит и может состоять.
А зачем нужны другие частицы кроме тех, которые мы описали выше - непонятно вообще.
В Стандартной Модели все частицы представлены некими безразмерными точками, такими микро-шариками. Взаимодействие между ними описывается Квантовой Теорией Поля (КТП). Эта гипотеза имеет огромное количество подтверждений опытным путем и весьма точна для описания микромира частиц. Но уже сейчас с ней есть проблемы. Она не дает ответа на причины того, почему все так, как есть. Почему электрон тяжелее протона, почему у нейтрино есть масса, а у глюона нет. Почему заряды частиц такие, а не другие. Почему масса такая, а не другая. И так далее.
Но более глобальной проблемой является то, что Теория Поля не описывает гравитацию вообще. Для КТП ее как бы и нет вовсе.
С другой стороны гравитацию замечательно точно описывает Общая Теория Относительности (ОТО), как следствие искривления пространства-времени.
Когда ученые попытались соединить две этих теории, то выявилась большая проблема: эти теории не то, что вообще несовместимы, но взаимно противоречат друг другу. Причина этого в разном взгляде на пространство-время. Для ОТО пространство - "гладкое", однородное на любых масштабах. КТП же говорит о том, что в вакууме постоянно возникают и исчезают виртуальные частицы, которые искривляют пространство-время на очень маленьких масштабах, делая саму ткань пространства как бы "шершавой", неровной, что противоречит ОТО.
Есть и другая причина противоречия КТП и ОТО: в КТП силы возникают благодаря обмену переносчиками взаимодействия между частицами, а в ОТО благодаря кривизне пространства.
Попытка решить эту ситуацию и привела к разработке Теории Струн.
В Теории Струн элементарные частицы, из которых состоит все - это не "шарики" вращающиеся друг вокруг друга, а что-то вроде микроскопических ниточек, имеющих длину. Или струны. Они могут иметь разную форму - замкнутые, как кольцо, свободные, как ворсинки, и т.д. Их размеры невероятно малы.
Струны могут колебаться в силу своей природы, причем на строго оправленной частоте. И каждой частоте соответствует своя частица. Каждой ноте свой звук струны. Одна струна колеблется, как фотон, а другая, как глюон. И именно этими колебаниями и определяется все: масса, заряд, и т.д.
Вроде бы все это звучит красиво и может многое объяснить, но по мере разработки этой теории стали проступать проблемы: Теория Струн предсказывала разные фантастические вещи, так как частицы, движущиеся быстрее скорости света, и описывала эта гипотеза только бозоны, не затрагивая кварки.
Таким образом, на базе Теории Струн сформулировали пару новых гипотез, чтоб закрыть эти вот дыры. Теория Суперструн и М-теория.
Каких-то подтверждений экспериментальным путем этих двух новых гипотез получено не было. А вот то, что Теория Струн слабо согласуется с ОТО стало ясно достаточно быстро. Главное противоречие заключается в том, что две теории согласовываются только в гипотетическом 11-и мерном пространстве, а в нашем 4-х мерном - плохо. Проблема в том, что мы эти большие измерения не наблюдаем никак, и экспериментально подтвердить возможность их наличия тоже не можем. Т.е. все это существует только на бумаге.
По мере развития классической Теории Струн в ее аппарат были включены и т.н. браны, которые действовали вместе со струнами. Браны - это сверхтонкие плоские поверхности, как мембраны. Отсюда и название. Эти гипотетические браны многомерны, и по предположениям поздней Теории Струн наш мир - это такая вот мембрана-брана, растянутая на поверхности в большем измерении.
После этого Теория Струн стала настолько сложной, имеющей настолько много дыр и допущений, что ни доказать ее, ни опровергнуть не представляется возможным. И вместо того, чтоб банально согласовать Теорию Относительности и Квантовую Теорию Поля, Теория Струн сделала все только хуже, внеся в гипотетическую картину мира столько допущений и условностей, что в конечном итоге сам вопрос "почему все такое, какое есть?" потерял смысл. Одним из побочных итогов развития Теории Струн стал вывод о том, что, скорее всего Вселенных может существовать огромное количество в силу того, что вот это 11-и мерное пространство, в котором Теория Струн работает с Теорией Относительности, надо бы как-то свернуть до 4-х мерного пространства, чтоб использовать теорию в нашей Вселенной. Оказалось, что вариантов произвести такое сворачивание может быть очень много, что в свою очередь дает очень много вариантов Вселенных. Это так называемый ландшафт Теории Струн. Именно это дало толчок к развитию теории Мультивселенной.
Кроме того на данный момент времени весьма хорошо проработаны альтернативные "теории всего" - квантовая петлевая гравитация или теория преонов.
Теория струн была отличной попыткой дать ответ на накопившиеся вопросы. Но вряд ли она даст несомненные и точные ответы. Пока что она не отвергнута совсем, но, скорее, отложена в дальний угол в силу большой сложности быть подтвержденной экспериментальным путем. Тем не менее, именно развитие Теории Струн дало толчок для формирования нового взгляда на Вселенную. И даже если Теория Струн окажется ложной, ее вклад в развитие новой физики будет несомненным. А пока что эта гипотеза - весьма красивая мысленная картинка о реальности бытия нашего мира.
