Введение
За последние шесть десятилетий, пытаясь объединить все силы, существующие в природе, физики-теоретики выдвинули много разных интересных идей и новых теорий. Одна из самых многообещающих из этих теорий - теория струн. В природе существуют четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнетизм, слабые и сильные ядерные силы. Одна из главных целей физиков - разработать теорию, которая может описать все эти силы. Теория струн в настоящее время стала самой противоречивой концепцией в физике, целью которой является объединение двух столпов физики 20-го века: теории относительности Эйнштейна и квантовой механики. Проще говоря, это всеобъемлющая структура, которая может объяснить всю физическую реальность Гипотеза: теория струн способна в корне изменить представление о современной физике и согласовать основные теории пространства и времени.
Если ученым удастся довести работы над теорией струн до конца и вывести не противоречащую всем остальным теорию, то она будет претендовать на звание единой теории, потому что будет включать в себя все известные на сегодняшний день виды взаимодействия во Вселенной, включая даже гравитацию, которую до сих пор не удавалось приписать ни одной из существующих теорий. Ученые считают, что это одна из конечных целей физики как науки.
Основная проблема Теории струн заключается в том, что современная наука пока не способна доказать теорию струн, что в свою очередь не даёт нам возможности в полной мере изучить нашу Вселенную и понять и объяснить устройство её пространства.
Непосредственно теория струн
Теория струн - это одна из самых прогрессивных теорий современной физики, претендующая на звании "теории всего", т.е. такой теории, которая способна объяснить сущность мироздания на самом фундаментальном уровне. Сегодня эта теория является главной темой большинства научно-популярных передач и книг по физике. Она не дает покоя всем людям, интересующимся наукой на любительском и профессиональном уровне. Разобраться в ней крайне сложно даже самим физикам. И тем не менее, давайте все-таки попытаемся понять в чем же суть и величие данной теории. Еще в далеком 1919 году малоизвестный математик Калуца изложил свою теорию, в которой делал предположения, что на самом деле Вселенная может быть четырёхмерной в пространстве, и в доказательство своих слов приводил расчеты, из которых выходило, что при таком условии теория относительности прекрасно согласуется с теорией электромагнитного поля Максвелла, чего невозможно достичь в обычном трехмерном Вселенной. В 1926 году физик Оскар Клейн заинтересовался работами Калуцы и усовершенствовал его модель. За Клейном получалось, что дополнительное измерение действительно может существовать, но он находится в «свернутом» и зацикленном на самом себе виде. Причем свернуто четвертое измерение очень туго – до размеров элементарных частиц, поэтому мы его и не замечаем. Теория получила название пятимерного мира Калуцы – Кляйн (четыре измерения в пространстве + время). В то же время, было предъявлены предположение, что противоречие в расчетах теории суперструн обусловлена тем, что принято было считать, что струны колеблются лишь в трех направлениях, которыми располагает наша Вселенная. Физики начали увеличивать количество вероятных измерений Вселенной, пока не ввели 9 пространственных измерений, при которых теория струн полностью согласовывалась с теорией относительности и квантовой механикой. Кардинально новый подход предложил в 1968 году физик Габриэле Венециано, который понял, что экзотическая математическая формула, придумана примерно за двести лет до этого знаменитым швейцарским математиком Леонардом Эйлером в чисто математических целях – так называемая бета-функция Эйлера, – похоже, способна описать одним махом все многочисленные свойства частиц, участвующие в сильном ядерном взаимодействии. Замеченное Венециано свойство давало мощное математическое описание многим особенностям сильного взаимодействия. Она вызвала шквал работ, в которых бета-функция и ее различные обобщения использовались для описания огромных массивов данных, накопленных при изучении столкновений частиц по всему миру. Но интересным является то, что эта функция была исследована еще до рождения Эйнштейна, и применялась для описания колебаний натянутых струн. Наверное именно тогда, до ученых пришла гениальная мысль: «А что, если элементарные частицы вовсе и не частицы, а микроскопические тончайшие струны, а то, что мы наблюдаем в своих приборах – это не траектория движения частицы, а траектория колебания, проходящего по этой струне?».
Венециано, который в то время работал в ЦЕРНе, Европейской ускорительной лаборатории, находящейся в Женеве (Швейцария), трудился над этой проблемой в течение нескольких лет, пока однажды его не осенила блестящая догадка. Однако в определенном смысле наблюдение Венециано было неполным. Подобно зазубренной наизусть формуле, используемой студентом, который не понимает ее смысла или значения, бета-функция Эйлера работала, но никто не понимал почему. Это была формула, которая требовала объяснения. Положение дел изменилось в 1970 г., когда Йохиро Намбу из Чикагского университета, Хольгер Нильсен из института Нильса Бора и Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета смогли выявить физический смысл, скрывавшийся за формулой Эйлера. Эти физики показали, что при представлении элементарных частиц маленькими колеблющимися одномерными струнами сильное взаимодействие этих частиц в точности описывается с помощью функции Эйлера. Если отрезки струн являются достаточно малыми, рассуждали эти исследователи, они по-прежнему будут выглядеть как точечные частицы, и, следовательно, не будут противоречить результатам экспериментальных наблюдений. Хотя эта теория была простой и интуитивно привлекательной, вскоре было показано, что описание сильного взаимодействия с помощью струн содержит изъяны. В начале 1970-х гг. специалисты по физике высоких энергий смогли глубже заглянуть в субатомный мир и показали, что ряд предсказаний модели, основанной на использовании струн, находится в прямом противоречии с результатами наблюдений. В то же время параллельно шло развитие квантово- полевой теории — квантовой хромодинамики, — в которой использовалась точечная модель частиц. Успехи этой теории в описании сильного взаимодействия привели к отказу от теории струн.
Преданные фанаты теории струн не сдавались без боя. В 1971 году была создана обновленная теория струн, уже под названием «теория суперструн». Обновление заключалось в том, что если первый вариант теории включал в себя описание только бозонов, то теория суперструн включала еще и фермионы. Все элементарные частицы обладают такой характеристикой, как спин (количество оборотов вокруг своей оси, которые надо сделать частице, чтобы выглядеть так же, как сначала). Элементарные частицы могут иметь только полуцелой или целочисленный спины– 1/2, 1, 3/2, 2 и т. д. Бозонами называются те частицы, которые имеют целочисленный спин. Фермионы – те, у кого спин полуцелый. Так вот, первая версия теории струн описывала только бозоны, что было еще одной из причин, по которым она до сих пор стоит на паузе в развитии. Обновленный вариант теории струн включал в себя и фермионы, и тут ученые поняли, что при таком подходе проблема ненужных тахионов, как и множество других противоречий, испаряются.
Но, как всегда, не обошлось без проблем. По теории суперструн получалось, что для каждого бозона должен существовать соответствующий фермион, то есть между бозонами и фермионами должна существовать определенная симметрия. Такой вид симметрии прогнозировали и ранее – под названием «суперсимметрия». Проблема заключалась в том, что никто и никогда не слышал про эти самые суперсимметричные фермионы. Объяснение нашли простое: по расчетам, суперсимметричные фермионы должны иметь огромную для микромира массу, и поэтому в обычных условиях их невозможно получить. Для того, чтобы зарегистрировать их, требуются огромные энергии, которые достигаются при столкновении легких частиц на почти световых скоростях. Впоследствии, получение суперсимметричных фермион стало одной из причин создания Большого адронного коллайдера.
1984 г. В своей статье, сыгравшей поворотную роль и подытожившей более чем десятилетние интенсивные исследования, которые по большей части были проигнорированы или отвергнуты большинством физиков, Грин и Шварц установили, что незначительное противоречие с квантовой теорией, которым страдала теория струн, может быть разрешено. Более того, они показали, что полученная в результате теория обладает достаточной широтой, чтобы охватить все четыре вида взаимодействий и все виды материи. Весть об этом результате распространилась по всему физическому сообществу: сотни специалистов по физике элементарных частиц прекращали работу над своими проектами, чтобы принять участие в штурме, который казался последней теоретической битвой в многовековом наступлении на глубочайшие основы мироздания.
Период с 1984 по 1986 гг. теперь известен как «первая революция в теории суперструн». В течение этого периода физиками всего мира было написано более тысячи статей по теории струн. Эти работы окончательно продемонстрировали, что многочисленные свойства стандартной модели, открытые в течение десятилетий кропотливых исследований, естественным образом вытекают из величественной системы теории струн. Как заметил Майкл Грин, «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». Более того, для многих из этих свойств, как мы увидим ниже, теория струн дает гораздо более полное и удовлетворительное описание, чем стандартная модель. Эти достижения убедили многих физиков, что теория струн способна выполнить свои обещания и стать окончательной объединяющей теорией.
Однако на этом пути занимавшиеся теорией струн физики снова и снова натыкались на серьезные препятствия. В теоретической физике часто приходится иметь дело с уравнениями, которые либо слишком сложны для понимания, либо с трудом поддаются решению. Обычно в такой ситуации физики не пасуют и пытаются получить приближенное решение этих уравнений. Положение дел в теории струн намного сложнее. Даже сам вывод уравнений оказался столь сложным, что до сих пор удалось получить лишь их приближенный вид. Таким образом, физики, работающие с теорией струн, оказались в ситуации, когда им приходится искать приближенные решения приближенных уравнений. После нескольких лет поражающего воображение прогресса, достигнутого в течение первой революции теории суперструн, физики столкнулись с тем, что используемые приближенные уравнения оказались неспособными дать правильный ответ на ряд важных вопросов, тормозя тем самым дальнейшее развитие исследований. Не имея конкретных идей по выходу за рамки этих приближенных методов, многие физики, работавшие в области теории струн, испытали растущее чувство разочарования и вернулись к своим прежним исследованиям. Для тех, кто остался, конец 1980-х и начало 1990-х гг. были периодом испытаний. Долгий период пребывания на месте время от времени прерывался важными открытиями, но всем было ясно, что требуются новые методы, которые позволили бы доказать теорию струн.
В середине девяностых годов прошлого века произошла так называемая вторая революция в теории струн. В середине 1990-х Эдвард Виттен, Джозеф Полчински и другие физики обнаружили веские доказательства того, что разные суперструнные теории являются различными предельными случаями не разработанной пока 11-мерной М-теории. Оказалось, что введение еще одного измерения, укладывается в рамки квантовой теории и теории относительности, и более того – снимает очень много проблем, накопившиеся в теории струн. Переименование старого названия «теория струн» было оправдано, потому что по M-теории получается, что основа Вселенной – не только одномерные струны. Оказалось, что могут существовать и двухмерные аналоги струн – мембраны, и трехмерные, и четырехмерные. Эти конструкции были названы бранами. За что физики особенно благодарны М-теории, то это за то, что ей, в определенном смысле, удалось избавиться от сингулярности. Сингулярность по теории относительности – это бесконечная кривизна пространства-времени в экстремальных условиях(в черных дырах или во время Большого взрыва). М-теория струн утверждает, что никакой сингулярности не будет, ибо вся Вселенная имеет минимальный размер сжатия (так называемый Планковский размер), после которого она автоматически «вывернется наизнанку» и снова начнет расширяться. Точнее, продолжит сжиматься, но со стороны это будет выглядеть как расширение.
M-теория — современная физическая теория, созданная с целью объединения фундаментальных взаимодействий. В качестве базового объекта используется так называемая «брана» (многомерная мембрана) — протяженный двухмерный или с бо́льшим числом измерений (n-брана) объект.
Спин — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы.
Сравнение современных теорий пространства
В первую очередь не стоит забывать, что у нас нет полной картины происходящего в теории струн и в ней присутствует множество неразгаданных деталей очень тонкого характера. Но даже так нам по силам примерно сравнить эту теорию пространства с самой известной, а именно с теорией относительности. При сравнении мы будем использовать Общую Теорию Относительности(ОТО), мать всей современной физики. Начнём с теории струн, эта теория способна объяснить ход вещей во вселенной и как она устроена на самом деле. Теория помогает устранить бесчисленное множество несостыковок теории относительности, к примеру в последних доработках теории струн, обнаружили веские доказательства существования в нашем мире одиннадцати измерений,каждое такое измерение берет на себя определённую роль и объясняет аспекты вселенной, в то время как в ОТО мы ограничены четырьмя известными нам измерениями(x, y, z, t), что не даёт видеть в полной мере пространство. В остальном, теория струн не только дополняет общую теорию относительности, но и вносит поистине важные взгляды на природу пространства и времени.
Заключение.
Подводя итог, можно сказать, что если ученые продолжат исследовать теорию струн и смогут добиться результатов в доказательстве этой теории, человечество ждёт яркое будущее, в котором мы наконец сможем понять все загадки вселенной, скрытые от нас сейчас.
