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.
Теория суперструн, популярным языком, представляет вселенную как совокупность вибрирующих нитей энергии - струн. Они являются основой природы. Гипотеза описывает и другие элементы - браны. Все вещества в нашем мире состоят из колебаний струн и бран. Естественным следствием теории является описание гравитации. Именно поэтому ученые считают, что в ней содержится ключ к объединению силы тяжести с другими взаимодействиями.
Концепция развивается
Теория единого поля, теория суперструн, - сугубо математическая. Как и все физические концепции, она основана на уравнениях, которые могут быть определенным образом интерпретированы.
Сегодня никто не знает точно, каким будет окончательный вариант этой теории. Ученые имеют довольно смутное представление об ее общих элементах, но никто еще не придумал окончательного уравнения, охватившего бы все теории суперструн, а экспериментально до сих пор не удалось ее подтвердить (хотя и опровергнуть тоже). Физики создали упрощенные версии уравнения, но пока что оно не вполне описывает нашу вселенную.
Теория суперструн для начинающих
В основе гипотезы положены пять ключевых идей.
- Теория суперструн предсказывает, что все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии.
- Она пытается совместить общую теорию относительности (гравитации) с квантовой физикой.
- Теория суперструн позволит объединить все фундаментальные силы вселенной.
- Эта гипотеза предсказывает новую связь, суперсимметрию, между двумя принципиально различными типами частиц, бозонами и фермионами.
- Концепция описывает ряд дополнительных, обычно ненаблюдаемых измерений Вселенной.
Струны и браны
Когда теория возникла в 1970 годы, нити энергии в ней считались 1-мерными объектами - струнами. Слово «одномерный» говорит о том, что струна имеет только 1 измерение, длину, в отличие от, например, квадрата, который имеет длину и высоту.
Эти суперструны теория делит на два вида - замкнутые и открытые. Открытая струна имеет концы, которые не соприкасаются друг с другом, в то время как замкнутая струна является петлей без открытых концов. В итоге было установлено, что эти струны, называемые струнами первого типа, подвержены 5 основным типам взаимодействий.
Взаимодействия основаны на способности струны соединять и разделять свои концы. Поскольку концы открытых струн могут объединиться, чтобы образовывать замкнутые, нельзя построить теорию суперструн, не включающую закольцованные струны.
Это оказалось важным, так как замкнутые струны обладают свойствами, как полагают физики, которые могли бы описать гравитацию. Другими словами, ученые поняли, что теория суперструн вместо объяснения частиц материи может описывать их поведение и силу тяжести.
Через многие годы было обнаружено, что, кроме струн, теории необходимы и другие элементы. Их можно рассматривать как листы, или браны. Струны могут крепиться к их одной или обеим сторонам.
Квантовая гравитация
Современная физика имеет два основных научных закона: общую теорию относительности (ОТО) и квантовую. Они представляют совершенно разные области науки. Квантовая физика изучает мельчайшие природные частицы, а ОТО, как правило, описывает природу в масштабах планет, галактик и вселенной в целом. Гипотезы, которые пытаются объединить их, называются теориями квантовой гравитации. Наиболее перспективной из них сегодня является струнная.
Замкнутые нити соответствуют поведению силы тяжести. В частности, они обладают свойствами гравитона, частицы, переносящей гравитацию между объектами.
Объединение сил
Теория струн пытается объединить четыре силы - электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию - в одну. В нашем мире они проявляют себя как четыре различные явления, но струнные теоретики считают, что в ранней Вселенной, когда были невероятно высокие уровни энергии, все эти силы описываются струнами, взаимодействующими друг с другом.
Суперсимметрия
Все частицы во вселенной можно разделить на два типа: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между ними существует связь, называемая суперсимметрией. При суперсимметрии для каждого бозона должен существовать фермион и для каждого фермиона - бозон. К сожалению, экспериментально существование таких частиц не подтверждено.
Суперсимметрия является математической зависимостью между элементами физических уравнений. Она была обнаружена в другой области физики, а ее применение привело к переименованию в теорию суперсимметричных струн (или теория суперструн, популярным языком) в середине 1970 годов.
Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. Без суперсимметрии уравнения приводят к физическим противоречиям, таким как бесконечные значения и воображаемые
Поскольку ученые не наблюдали частицы, предсказанные суперсимметрией, она все еще является гипотезой. Многие физики считают, что причина этого - необходимость в значительном количестве энергии, которая связана с массой известным уравнением Эйнштейна E = mc 2 . Эти частицы могли существовать в ранней вселенной, но так как она остыла, и после Большого взрыва энергия распространилась, эти частицы перешли на низкоэнергетические уровни.
Другими словами, струны, вибрировавшие как высокоэнергетические частицы, утратили энергию, что превратило их в элементы с более низкой вибрацией.
Ученые надеются, что астрономические наблюдения или эксперименты с ускорителями частиц подтвердят теорию, выявив некоторые из суперсимметричных элементов с более высокой энергией.
Дополнительные измерения
Другим математическим следствием теории струн является то, что она имеет смысл в мире, число измерений которого больше трех. В настоящее время этому существует два объяснения:
- Дополнительные измерения (шесть из них) свернулись, или, в терминологии теории струн, компактифицировались до невероятно малых размеров, воспринять которые никогда не удастся.
- Мы застряли в 3-мерной бране, а другие измерения простираются вне ее и для нас недоступны.
Важным направлением исследований среди теоретиков является математическое моделирование того, как эти дополнительные координаты могут быть связаны с нашими. Последние результаты предсказывают, что ученые в скором времени смогут обнаружить эти дополнительные измерения (если они существуют) в предстоящих экспериментах, так как они могут быть больше, чем ожидалось ранее.
Понимание цели
Цель, к которой стремятся ученые, исследуя суперструны - «теория всего», т. е. единая физическая гипотеза, которая на фундаментальном уровне описывает всю физическую реальность. В случае успеха она могла бы прояснить многие вопросы строения нашей вселенной.
Объяснение материи и массы
Одна из основных задач современных исследований - поиск решения для реальных частиц.
Теория струн начиналась как концепция, описывающая такие частицы, как адроны, различными высшими колебательными состояниями струны. В большинстве современных формулировок, материя, наблюдаемая в нашей вселенной, является результатом колебаний струн и бран с наименьшей энергией. Вибрации с большей порождают высокоэнергичные частицы, которые в настоящее время в нашем мире не существуют.
Масса этих является проявлением того, как струны и браны завернуты в компактифицированных дополнительных измерениях. Например, в упрощенном случае, когда они свернуты в форме бублика, называемом математиками и физиками тором, струна может обернуть эту форму двумя способами:
- короткая петля через середину тора;
- длинная петля вокруг всей внешней окружности тора.
Короткая петля будет легкой частицей, а большая - тяжелой. При оборачивании струн вокруг торообразных компактифицированных измерений образуются новые элементы с различными массами.
Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Свернутые измерения здесь гораздо сложнее тора, но в принципе они работают также.
Возможно даже, хотя это трудно представить, что струна оборачивает тор в двух направлениях одновременно, результатом чего будет другая частица с другой массой. Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей.
Определение пространства и времени
Во многих версиях теория суперструн измерения сворачивает, делая их ненаблюдаемыми на современном уровне развития технологии.
В настоящее время не ясно, сможет ли теория струн объяснить фундаментальную природу пространства и времени больше, чем это сделал Эйнштейн. В ней измерения являются фоном для взаимодействия струн и самостоятельного реального смысла не имеют.
Предлагались объяснения, до конца не доработанные, касавшиеся представления пространства-времени как производного общей суммы всех струнных взаимодействий.
Такой подход не отвечает представлениям некоторых физиков, что привело к критике гипотезы. Конкурентная теория в качестве отправной точки использует квантование пространства и времени. Некоторые считают, что в конечном итоге она окажется лишь другим подходом ко все той же базовой гипотезе.
Квантование силы тяжести
Главным достижением данной гипотезы, если она подтвердится, будет квантовая теория гравитации. Текущее описание в ОТО не согласуется с квантовой физикой. Последняя, накладывая ограничения на поведение небольших частиц, при попытке исследовать Вселенную в крайне малых масштабах ведет к возникновению противоречий.
Унификация сил
В настоящее время физикам известны четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнитная, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Из теории струн следует, что все они когда-то являлись проявлениями одной.
Согласно этой гипотезе, так как ранняя вселенная остыла после большого взрыва, это единое взаимодействие стало распадаться на разные, действующие сегодня.
Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединение этих сил, хотя такие опыты находятся далеко за пределами текущего развития технологии.
Пять вариантов
После суперструнной революции 1984 г., разработки велись с лихорадочной быстротой. В итоге вместо одной концепции получилось пять, названных тип I, IIA, IIB, HO, HE, каждая из которых почти полностью описывала наш мир, но не до конца.
Физики, перебирая версии теории струн в надежде найти универсальную истинную формулу, создали 5 разных самодостаточных варианта. Какие-то их свойства отражали физическую реальность мира, другие не соответствовали действительности.
М-теория
На конференции в 1995 году физик Эдвард Виттен предложил смелое решение проблемы пяти гипотез. Основываясь на недавно обнаруженой дуальности, все они стали частными случаями единой всеобъемлющей концепции, названной Виттеном М-теория суперструн. Одним из ключевых ее понятий стали браны (сокращение от мембраны), фундаментальные объекты, обладающие более чем 1 измерением. Хотя автор не предложил полную версию, которой нет до сих пор, М-теория суперструн кратко состоит из таких черт:
- 11-мерность (10 пространственных плюс 1 временное измерение);
- двойственности, которые приводят к пяти теориям, объясняющих ту же физическую реальность;
- браны - струны, с более чем 1 измерением.
Следствия
В результате вместо одного возникло 10 500 решений. Для некоторых физиков это стало причиной кризиса, другие же приняли антропный принцип, объясняющий свойства вселенной нашим присутствием в ней. Остается ожидать, когда теоретики найдут другой способ ориентирования в теории суперструн.
Некоторые интерпретации говорят о том, что наш мир не единственный. Наиболее радикальные версии позволяют существование бесконечного числа вселенных, некоторые из которых содержат точные копии нашей.
Теория Эйнштейна предсказывает существование свернутого пространства, которое называют червоточиной или мостом Эйнштейна-Розена. В этом случае два отдаленных участка связаны коротким проходом. Теория суперструн позволяет не только это, но и соединение отдаленных точек параллельных миров. Возможен даже переход между вселенными с разными законами физики. Однако вероятен вариант, когда квантовая теория гравитации сделает их существование невозможным.
Многие физики считают, что голографический принцип, когда вся информация, содержащаяся в объеме пространства, соответствует информации, записанной на его поверхности, позволит глубже понять концепцию энергетических нитей.
Некоторые полагают, что теория суперструн позволяет множественность измерений времени, следствием чего может быть путешествие через них.
Кроме того, в рамках гипотезы существует альтернатива модели большого взрыва, согласно которой наша вселенная появилась в результате столкновения двух бран и проходит через повторяющиеся циклы создания и разрушения.
Конечная судьба мироздания всегда занимала физиков, и окончательная версия теории струн поможет определить плотность материи и космологическую константу. Зная эти значения, космологи смогут установить, будет ли вселенная сжиматься до тех пор, пока не взорвется, чтобы все началось снова.
Никто не знает, к чему может привести пока она не будет разработана и проверена. Эйнштейн, записав уравнение E=mc 2 , не предполагал, что оно приведет к появлению ядерного оружия. Создатели квантовой физики не знали, что она станет основой для создания лазера и транзистора. И хотя сейчас еще не известно, к чему приведет такая сугубо теоретическая концепция, история свидетельствует о том, что наверняка получится что-то выдающееся.
Подробнее об этой гипотезе можно прочесть в книге Эндрю Циммермана «Теория суперструн для чайников».
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.
Теория струн - направление математической физики, изучающее динамику не точечных частиц, как большинство разделов физики, а одномерных протяжённых объектов, т.е. струн.
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 10Е–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.
Изучение свойств чёрных дыр
В 1996 г. струнные теоретики Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа, опираясь на более ранние результаты Сасскинда и Сена, опубликовали работу «Микроскопическая природа энтропии Бекенштейна и Хокинга». В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определенного класса чёрных дыр, а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию. Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений, которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого.
Реальным процессам образования чёрных дыр Строминджер и Вафа противопоставили конструктивный подход. Они изменили точку зрения на образование чёрных дыр, показав, что их можно конструировать путем кропотливой сборки в один механизм точного набора бран, открытых во время второй суперструнной революции.
Имея в руках все рычаги управления микроскопической конструкцией чёрной дыры, Строминджер и Вафа смогли вычислить число перестановок микроскопических компонентов чёрной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, например масса и заряд, остаются неизменными. После этого они сравнили полученное число с площадью горизонта событий чёрной дыры - энтропией, предсказанной Бекенштейном и Хокингом, - и получили идеальное согласие. По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии. Проблема, стоявшая перед физиками в течение четверти века, была решена.
Для многих теоретиков это открытие было важным и убедительным аргументом в поддержку теории струн. Разработка теории струн до сих пор остается слишком грубой для прямого и точного сравнения с экспериментальными результатами, например, с результатами измерений масс кварка или электрона. Теория струн, тем не менее, дает первое фундаментальное обоснование давно открытого свойства чёрных дыр, невозможность объяснения которого многие годы тормозила исследования физиков, работавших с традиционными теориями. Даже Шелдон Глэшоу, Нобелевский лауреат по физике и убеждённый противник теории струн в 1980-е гг., признался в интервью в 1997 г., что «когда струнные теоретики говорят о чёрных дырах, речь идёт едва ли не о наблюдаемых явлениях, и это впечатляет».
Струнная космология
Существует три основных пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель. Во-первых, в духе современных исследований, всё более проясняющих ситуацию, из теории струн следует, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер. Этот вывод меняет представление о структуре Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва, для которого в стандартной модели получается нулевой размер Вселенной. Во-вторых, понятие T-дуальности, то есть дуальности малых и больших радиусов (в его тесной связи с существованием минимального размера) в теории струн, имеет значение и в космологии. В-третьих, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырёх, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений.
Модель Бранденберга и Вафы
В конце 1980-х гг. Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа сделали первые важные шаги к пониманию того, к каким изменениям в следствиях из стандартной космологической модели приведет использование теории струн. Они пришли к двум важным выводам. Во-первых, по мере движения назад к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до момента, когда размеры Вселенной по всем направлениям сравняются с планковской длиной. В этот момент температура достигнет максимума и начнёт уменьшаться. На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления. Предположим для простоты (следуя Бранденбергеру и Вафе), что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. Из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. Поскольку температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению роста температуры и её дальнейшему снижению.
В результате Бранденбергер и Вафа пришли к следующей космологической картине: сначала все пространственные измерения в теории струн плотно свернуты до минимальных размеров порядка планковской длины. Температура и энергия высоки, но не бесконечны: парадоксы начальной точки нулевого размера в теории струн решены. В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения теории струн совершенно равноправны и полностью симметричны: все они свернуты в многомерный комок планковских размеров. Далее, согласно Бранденбергеру и Вафе, Вселенная проходит первую стадию понижения симметрии, когда в планковский момент времени три пространственных измерения отбираются для последующего расширения, а остальные сохраняют исходный планковский размер. Затем эти три измерения отождествляются с измерениями в сценарии инфляционной космологии и в процессе эволюции принимают наблюдаемую теперь форму.
Модель Венециано и Гасперини
После работы Бранденбергера и Вафы физики непрерывно продвигаются вперёд к пониманию струнной космологии. В числе тех, кто идет во главе этих исследований - Габриэле Венециано и его коллега Маурицио Гасперини из Туринского университета. Эти учёные представили свой вариант струнной космологии, который в ряде мест соприкасается с описанным выше сценарием, но в других местах принципиально отличается от него. Как Бранденбергер и Вафа, для исключения бесконечной температуры и плотности энергии, которые возникают в стандартной и инфляционной модели, они опирались на существование минимальной длины в теории струн. Однако вместо вывода о том, что в силу этого свойства Вселенная рождается из комка планковских размеров, Гасперини и Венециано предположили, что существовала доисторическая вселенная, возникшая задолго до момента, который называется нулевой точкой, и породившая этот космический «эмбрион» планковских размеров.
Исходное состояние Вселенной в таком сценарии и в модели Большого взрыва очень сильно различаются. Согласно Гасперини и Венециано, Вселенная не являлась раскаленным и плотно скрученным клубком измерений, а была холодной и имела бесконечную протяженность. Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все её точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны.
Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось всё более искривлённым и в результате произошел резкий скачок температуры и плотности энергии. Прошло немного времени, и трёхмерная область миллиметровых размеров внутри этих бескрайних просторов преобразилась в раскалённое и плотное пятно, тождественное пятну, которое образуется при инфляционном расширении по Гуту. Затем все пошло по стандартному сценарию космологии Большого взрыва, и расширяющееся пятно превратилось в наблюдаемую Вселенную.
Поскольку в эпоху до Большого взрыва происходило своё инфляционное расширение, решение парадокса горизонта, предложенное Гутом, оказывается автоматически встроенным в этот космологический сценарий. По выражению Венециано (в интервью 1998 г.), «теория струн преподносит нам как на блюдечке вариант инфляционной космологии».
Изучение струнной космологии быстро становится областью активных и продуктивных исследований. Например, сценарий эволюции до Большого взрыва уже не раз был поводом горячих споров, а его место в будущей космологической формулировке далеко не очевидно. Однако нет сомнений, что эта космологическая формулировка будет твёрдо опираться на понимание физиками результатов, открытых во время второй суперструнной революции. Например, до сих пор не ясны космологические следствия существования многомерных мембран. Иными словами, как изменитcя представление о первых моментах существования Вселенной в результате анализа законченной М-теории? Этот вопрос интенсивно исследуется.
Подобный вопрос здесь уже задавали:
Но попробую рассказать об этом в своем фирменном стиле;)
Разговор нам предстоит весьма долгий, но надеюсь, что тебе будет интересно, бро. В общем, слушай, в чем здесь суть. Главная идея просматривается уже в самом названии: вместо точечных элементарных частиц (как то: электроны, фотоны и т.д.) данная теория предлагает струны – этакие микроскопические вибрирующие одномерные нити энергии, которые настолько малы, что никаким современным оборудованием их обнаружить нельзя (конкретно на планковской длине они находятся, но это не суть). Не сказать, что частицы состоят из струн, они и есть струны, просто по причине несовершенства нашего оборудования мы видим их как частицы. А если наше оборудование будет способно добраться до планковской длины, то, как предполагается, там мы обнаружим струны. И так же, как струна скрипки вибрирует, производя различные ноты, квантовая струна вибрирует, производя различные свойства частиц (например, заряды или массы). В этом, в общем-то, и состоит главная идея.
Однако здесь немаловажно отметить, что у теории струн весьма большие амбиции и она ни много ни мало претендует на статус «теории всего», объединяющей гравитацию (теорию относительности) и квантовую механику (то есть макромир - мир привычных для нас больших объектов, и микромир - мир элементарных частиц). Гравитация в теории струн элегантно появляется сама по себе, и вот почему. Первоначально теория струн вообще воспринималась только как теория сильного ядерного взаимодействия (взаимодействия, благодаря которому протоны и нейтроны удерживаются вместе в ядре атома), не более, так как некоторые разновидности колеблющихся струн напоминали свойства глюонов (частиц-переносчиков сильного взаимодействия). Однако в ней, помимо глюонов, имелись другие разновидности струнных колебаний, напоминающие другие частицы-переносчики какого-то взаимодействия, к глюонам никакого отношения не имеющие. Изучив свойства этих частиц, ученые обнаружили, что колебания эти точно совпадают со свойствами гипотетической частицы – гравитона – частицы-переносчика гравитационного взаимодействия. Таким вот образом в теории струн и появилась гравитация.
Но тут опять (что ты будешь делать!) возникает проблема под названием «квантовые флуктуации». Да ты не бойся, этот термин страшен только с виду. Так вот, квантовые флуктуации связаны с постоянным рождением и уничтожением виртуальных (тех, которые нельзя увидеть непосредственно из-за их непрерывного появления и исчезновения) частиц. Самым показательным в этом смысле процессом является аннигиляция – столкновение частицы и античастицы с образованием фотона (частицы света), который впоследствии порождает другую частицу и античастицу. А гравитация – это, в сущности, что? Это плавно искривленная геометрическая ткань пространства-времени. Главное слово здесь – плавно. А в квантовом мире из-за этих самых флуктуаций пространство нифига не плавное и гладкое, там творится такой хаос, что даже страшно вообразить. Как ты уже наверняка понимаешь, плавная геометрия пространства теории относительности совершенно несовместима с квантовыми флуктуациями. Конфуз, однако физики нашли решение, заявив, что взаимодействие струн сглаживает эти флуктуации. Каким образом, спрашиваешь? А вот представь себе две закрытые струны (ибо есть еще и открытые, представляющие собой некое подобие маленькой нити с двумя открытыми концами; закрытые струны, соответственно, это некое подобие петель). Эти две закрытые струны держат курс на столкновение и в какой-то момент сталкиваются, превращаясь в одну большего размера струну. Эта струна еще движется какое-то время, после чего распадается на две более мелких струны. Теперь шаг следующий. Вообразим весь этот процесс в замеленной киносъемке: мы увидим, что этот процесс приобрел некий трехмерный объем. Этот объем называется «мировой поверхностью». Теперь представим, что ты и я смотрим на весь этот процесс под разными углами: я смотрю прямо, а ты под небольшим углом. Мы увидим, что с твоей точки зрения и с моей струны столкнутся в разных местах, так как для тебя эти струнные «петли» (назовем их так) будут двигаться слегка под углом, а для меня прямо. Однако это один и тот же процесс, одни и те же две сталкивающиеся струны, разница заключается только в двух точках зрения. Сие означает, что происходит некое «размазывание» взаимодействия струн: с позиции разных наблюдателей они взаимодействуют в разных местах. Однако, несмотря на эти разные точки зрения, процесс тем не менее один, и точка взаимодействия одна. Таким образом, разные наблюдатели зафиксируют одно и то же место взаимодействия двух точечных частиц. Вот так вот! Понимаешь, что происходит? Мы сгладили квантовые флуктуации и объединили таким образом гравитацию и квантмех! Ишь!
Ладно, едем дальше. Не устал еще? Ну, так слушай. Сейчас я расскажу о том, что в теории струн лично мне как-то не очень нравится. И называется сие «математизация». Как-то слишком сильно увлеклись теоретики математикой… а дело тут простое: вот, сколько измерений пространства тебе известно? Правильно, три: длина, ширина и высота (время – четвертое измерение). Так вот, математика теории струн очень плохо уживается с этими четырьмя измерениями. И с пятью тоже. И с десятью. Зато прекрасно уживается с одиннадцатью. И решили теоретики: что ж, раз математика требует, пусть будет одиннадцать измерений. Понимаешь, математика требует! Математика, а не реальность! (Возглас в сторону: если я не права, переубедите меня кто-нибудь! Я хочу переубедиться!) Ну, и куда, спрашивается, делись остальные семь измерений? На этот вопрос теория нам отвечает, что они «компактифицированы», свернуты в микроскопические образования на планковской длине (то есть на том масштабе, который мы наблюдать не в состоянии). Называются эти образования «многообразием Калаби-Яу» (по фамилиям двух выдающихся физиков).
Также интересно еще то, что теория струн выводит нас на Мультивселенную, то есть на идею о существовании бесконечного множества параллельных Вселенных. Здесь вся суть в том, что в теории струн существуют не только струны, но и браны (от слова «мембрана»). Браны могут быть разных размерностей, вплоть до девяти. Предполагается, что мы живем на 3-бране, но рядом с этой браной могут быть другие, и они периодически могут сталкиваться. А не видим мы их потому, что к бране двумя концами наглухо прицеплены открытые струны. Эти струны своими концами могут передвигаться по бране, однако покинуть ее (отцепиться) они не могут. А если верить теории струн, то вся материя и все мы состоим из частиц, которые на планковской длине выглядят как струны. Следовательно, раз открытые струны не могут покинуть брану, то и мы не можем никак провзаимодействовать с другой браной (читай: параллельной Вселенной) или как-то ее увидеть. Единственная частица, которой в принципе пофиг на это ограничение и которая может это сделать – это гипотетический гравитон, который является закрытой струной. Однако гравитон еще никому не удавалось обнаружить. Такая Мультивселенная именуется «бранной Мультивселенной» или же «сценарием мира на бране».
Кстати, по причине того, что в теории струн обнаружились не только струны, но и браны, теоретики стали называть ее «М-теорией», однако что означает эта «М» толком не знает никто;)
Вот так вот. Такая вот история. Надеюсь, тебе было интересно, бро. Если что-то осталось непонятным, спрашивай в комментариях - поясню.
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.
