Урановые струны. Коротко о теории струн

Ключевые вопросы:

Каковы фундаментальные компоненты Вселенной -«первокирпичики материи»? Существуют ли теории, способные объяснить все основные физические явления?

Вопрос: это реально?

На сегодняшний день и в обозримом будущем, непосредственное наблюдение в столь малых масштабах не представляется возможным. Физика находится в поиске, и проводимые эксперименты, например, по обнаружению суперсимметричных частиц или поиску дополнительных измерений на ускорителях могут указать, что теория струн находится на верном пути.

Является теория струн теорией всего, или нет, она дает нам в руки уникальный набор инструментов, позволяющий заглянуть в глубинные структуры реальности.

Теория струн

Макро и микро

При описании Вселенной, физика делит ее на две, казалось-бы, несовместимых половинки - квантовый микромир, и макромир, в рамках которого описывается гравитация.

Теория струн это противоречивая попытка объединения этих половинок в «Теорию всего».

Частицы и взаимодействия

Мир сделан из двух видов элементарных частиц - фермионов и бозонов. Фермионы это всё наблюдаемое вещество, а бозоны являются переносчиками четырех известных фундаментальных взаимодействий: слабого, электромагнитного, сильного и гравитационного. В рамках теории, называемой «Стандартно моделью», физикам удалось изящно описать и проверить три фундаментальных взаимодействи все, кроме самого слабого - гравитационного. Hа сегодняшний день Стандартная модель является наиболее точной и экспериментально подтвержденной моделью нашего мира.

Зачем нужна теория струн

Стандартная модель не включает гравитацию, не может описать центр черной дыры и Большой взрыв, не объясняет результаты некоторых экспериментов. Теория струн - это попытка разрешить эти проблемы и унифицировать материю и взаимодействия, заменив элементарные частицы крошечными вибрирующими струнами.

В основе теории струн лежит идея, что все элементарные частицы можно представить в виде одного элементарного «первокирпичика» - струны. Струны могут вибрировать, и разные моды таких колебании на большом удалении будут выглядеть для нас как различные элементарные частицы. Одна мода вибрации заставит струну выглядеть как фотон, другая - как электрон.

Существует даже мода, описывающая переносчик гра в ита цио н но го взаимодействия - гравитон! Варианты теории струн описывают струны двух видов: открытые (1) и замкнутые (2). Открытые струны имеют два конца (3), расположенных на мембрано-подобных структурах, называемых D-бранами, и их динамикой описываются три из четырех фундаментальных взаимодействии - все, за исключением гравитационного.

Замкнутые струны напоминают петли, они не привязаны к D- бранам - именно колебательные моды замкнутых струн представляются безмассовым гравитоном. Концы открытой струны могут соединяться, образуя замкнутую струну, которая, в свою очередь, может разрываться, превратившись в открытую, или сойтись и расщепиться на две замкнутые струны (5) - таким образом в теории струн гравитационное взаимодействие объединяется со всеми остальными

Струны - самые маленькие из всех объектов, которыми оперирует физика. Диапазон размеров V объектов, представленных на картинке выше, простирается на 34 порядка - если бы атом был размером с солнечную систему, то размер струны мог бы быть чуть больше атомного ядра.

Дополнительные измерения

Непротиворечивые теории струн возможны лишь в пространстве высшей размерности, где в дополнение к знакомым нам 4м пространственно-временным измерениям требуется 6 дополнительных. Теоретики полагают, что эти дополнительные измерения свернуты в неуловимо малые формы -пространства Калаби-Яу. Одной из проблем теории струн является то, что существует почти бесконечное количество вариантов свертки (ком пактификации) Калаби-Яу, позволяющее описать какой угодно мир, и пока нет никакой возможности найти тот вариант ко м па ктифи ка ци и, который бы позволял описать то, что мы видим вокруг.

Суперсимметрия

Большинство версий теории струн требует понятия суперсимметрии, в основе которого лежит идея о том, что фермионы (вещество) и бозоны (взаимодействия) суть есть проявления одного и того-же объекта, и могут превращаться друг в друга.

Теория всего?

Суперсимметрию в теорию струн можно включить 5ю различными способами, что приводит к 5 различным видам теории струн, из чего следует, что сама по себе теория струн не может претендовать на звание «теории всего». Все эти пять видов связаны между собой математическими преобразованиями, называемыми дуальностями, и это привело к пониманию, что все эти виды являются аспектами чего-то более общего. Эту более общую теорию называют М-Теорией.

Известно 5 различных формулировок теории струн, однако при ближайшем рассмотрении, выясняется что все они являются проявлениями более общей теории

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:

1. Вселенная состоит из нитей энергии — квантовых струн, которые вибрируют как струны музыкальных инструментов. Разная частота вибрации превращает струны в разные частицы.
2. Концы струн могут быть свободны, а могут замыкаться друг на друга, образуя петли. Струны все время замыкаются, размыкаются и обмениваются энергией с другими струнами.
3. 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.
4. 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.
5. Теория струн может объединить все физические теории и открыть нам тайны мироздания — для этого есть все предпосылки. Но пока нет доказательств.
6. Из теории струн логически следуют другие открытия современной науки. К сожалению, это ничего не доказывает.
7. Теория струн пережила две суперструнные революции и многолетние периоды забвения. Одни ученые считают ее научной фантастикой, другие верят, что новые технологии помогут ее доказать.
8. 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:

В конечном счете все элементарные частицы можно представить в виде микроскопических многомерных струн, в которых возбуждены вибрации различных гармоник.

Внимание, пристегните покрепче ремни — и я попробую описать вам одну из самых странных теорий из числа серьезно обсуждаемых сегодня научных кругах, которая способна дать наконец окончательную разгадку устройства Вселенной. Теория эта выглядит настолько дико, что, вполне возможно, она правильна!

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.

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 10 -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.

См. также:

Сколько же всего измерений?

Нам, простым людям, всегда хватало и трех измерений. С незапамятных времен мы привыкли описывать физический мир в столь скромных рамках (саблезубый тигр в 40 метрах спереди, 11 метрах правее и 4 метрах выше меня — булыжник к бою!). Теория относительности приучила большинство из нас к тому, что время — суть четвертое измерение (саблезубый тигр не просто здесь — он здесь и сейчас угрожает нам!). И вот, начиная с середины ХХ века, теоретики повели разговоры, что на самом деле измерений еще больше — не то 10, не то 11, не то вообще 26. Конечно, без объяснений, почему мы, нормальные люди, их не наблюдаем, тут обойтись не могло. И тогда возникла концепция «компактификации» — слипания или схлопывания измерений.

Представим садовый поливочный шланг. Вблизи он воспринимается как нормальный трехмерный объект. Стоит, однако, отойти от шланга на достаточное расстояние — и он представится нам одномерным линейным объектом: его толщину мы попросту перестанем воспринимать. Именно о таком эффекте и принято говорить, как о компактификации измерения: в данном случае «компактифицированной» оказалась толщина шланга — слишком мала шкала масштаба измерения.

Именно так, по утверждениям теоретиков, исчезают из поля нашего экспериментального восприятия реально существующие дополнительные измерения, необходимые для адекватного объяснения свойств материи на субатомном уровне: они компактифицируются, начиная с шкалы масштабов порядка 10 -35 м, и современные методы наблюдения и измерительные приборы просто не в состоянии обнаружить структур столь малого масштаба. Возможно, всё именно так и есть, а возможно, всё обстоит совершенно по-другому. Пока нет таких приборов и методов наблюдения, все вышеприведенные доводы и контрдоводы так и останутся на уровне досужих спекуляций.

Экология познания: Самая большая проблема у теоретических физиков - как объединить все фундаментальные взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное) в единую теорию. Теория суперструн как раз претендует на роль Теории Всего

Считаем от трёх до десяти

Самая большая проблема у теоретических физиков - как объединить все фундаментальные взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное) в единую теорию. Теория суперструн как раз претендует на роль Теории Всего.

Но оказалось, что самое удобное количество измерений, необходимое для работы этой теории - целых десять (девять из которых - пространственные, и одно - временное)! Если измерений больше или меньше, математические уравнения дают иррациональные результаты, уходящие в бесконечность - сингулярность.

Следующий этап развития теории суперструн - М-теория - насчитала уже одиннадцать размерностей. А ещё один её вариант - F-теория - все двенадцать. И это вовсе не усложнение. F-теория описывает 12-мерное пространство более простыми уравнениями, чем М-теория - 11-мерное.

Конечно, теоретическая физика не зря называется теоретической. Все её достижения существуют пока что только на бумаге. Так, чтобы объяснить почему же мы можем перемещаться только в трёхмерном пространстве, учёные заговорили о том, как несчастным остальным измерениям пришлось скукожиться в компактные сферы на квантовом уровне. Если быть точными, то не в сферы, а в пространства Калаби-Яу. Это такие трёхмерные фигурки, внутри которых свой собственный мир с собственной размерностью. Двухмерная проекция подобный многообразий выглядит приблизительно так:

Таких фигурок известно более 470 миллионов. Которая из них соответствует нашей действительности, в данный момент вычисляется. Нелегко это - быть теоретическим физиком.

Да, это кажется немного притянутым за уши. Но может, именно этим и объясняется, почему квантовый мир так отличается от воспринимаемого нами.

Точка, точка, запятая

Начнём с начала. Нулевое измерение - это точка. У неё нет размеров. Двигаться некуда, никаких координат для обозначения местонахождения в таком измерении не нужно.

Поставим рядом с первой точкой вторую и проведём через них линию. Вот вам и первое измерение. У одномерного объекта есть размер - длина, но нет ни ширины, ни глубины. Движение в рамках одномерного пространства очень ограничено, ведь возникшее на пути препятствие не обойдёшь. Чтобы определить местонахождение на этом отрезке, понадобится всего одна координата.

Поставим рядом с отрезком точку. Чтобы уместить оба эти объекта, нам потребуется уже двумерное пространство, обладающее длиной и шириной, то есть, площадью, однако без глубины, то есть, объёма. Расположение любой точки на этом поле определяется двумя координатами.

Третье измерение возникает, когда мы добавляем к этой система третью ось координат. Нам, жителям трёхмерной вселенной, очень легко это представить.

Попробуем вообразить, как видят мир жители двухмерного пространства. Например, вот эти два человечка:

Каждый из них увидит своего товарища вот таким:

А при вот таком раскладе:

Наши герои увидят друг друга такими:

Именно смена точки обзора позволяет нашим героям судить друг о друге как о двумерных объектах, а не одномерных отрезках.

А теперь представим, что некий объёмный объект движется в третьем измерении, которое пересекает этот двумерный мир. Для стороннего наблюдателя, это движение выразится в смене двумерных проекций объекта на плоскости, как у брокколи в аппарате МРТ:

Но для обитателя нашей Флатландии такая картинка непостижима! Он не в состоянии даже представить её себе. Для него каждая из двумерных проекций будет видеться одномерным отрезком с загадочно переменчивой длиной, возникающим в непредсказуемом месте и также непредсказуемо исчезающим. Попытки просчитать длину и место возникновения таких объектов с помощью законов физики двумерного пространства, обречены на провал.

Мы, обитатели трёхмерного мира, видим всё двумерным. Только перемещение предмета в пространстве позволяет нам почувствовать его объём. Любой многомерный объект мы увидим также двумерным, но он будет удивительным образом меняться в зависимости от нашего с ним взаиморасположения или времени.

С этой точки зрения интересно думать, например, про гравитацию. Все, наверное, видели, подобные картинки:

На них принято изображать, как гравитация искривляет пространство-время. Искривляет... куда? Точно ни в одно из знакомых нам измерений. А квантовое туннелирование, то есть, способность частицы исчезать в одном месте и появляться совсем в другом, причём за препятствием, сквозь которое в наших реалиях она не смогла бы проникнуть, не проделав в нём дыру? А чёрные дыры? А что, если все эти и другие загадки современной науки объясняются тем, что геометрия пространства совсем не такая, какой мы привыкли её воспринимать?

Тикают часики

Время добавляет к нашей Вселенной ещё одну координату. Для того, чтобы вечеринка состоялась, нужно знать не только в каком баре она произойдёт, но и точное время этого события.

Исходя из нашего восприятия, время - это не столько прямая, как луч. То есть, у него есть отправная точка, а движение осуществляется только в одном направлении - из прошлого в будущее. Причём реально только настоящее. Ни прошлое, ни будущее не существуют, как не существуют завтраки и ужины с точки зрения офисного клерка в обеденный перерыв.

Но теория относительности с этим не согласна. С её точки зрения, время - это полноценное измерение. Все события, которые существовали, существуют и будут существовать, одинаково реальны, как реален морской пляж, независимо от того, где именно мечты о шуме прибоя захватили нас врасплох. Наше восприятие - это всего лишь что-то вроде прожектора, который освещает на прямой времени какой-то отрезок. Человечество в его четвёртом измерении выглядит приблизительно так:

Но мы видим только проекцию, срез этого измерения в каждый отдельный момент времени. Да-да, как брокколи в аппарате МРТ.

До сих пор все теории работали с большим количеством пространственных измерений, а временное всегда было единственным. Но почему пространство допускает появление множественных размерностей для пространства, но время только одно? Пока учёные не смогут ответить на этот вопрос, гипотеза о двух или более временных пространствах будет казаться очень привлекательной всем философам и фантастам. Да и физикам, чего уж там. Скажем, американский астрофизик Ицхак Барс корнем всех бед с Теорией Всего видит как раз упущенное из виду второе временное измерение. В качестве умственного упражнения, попробуем представить себе мир с двумя временами.

Каждое измерение существует отдельно. Это выражается в том, что если мы меняем координаты объекта в одной размерности, координаты в других могут оставаться неизменными. Так, если вы движетесь по одной временной оси, которая пересекает другую под прямым углом, то в точке пересечения время вокруг остановится. На практике это будет выглядеть приблизительно так:

Всё, что Нео нужно было сделать - это разместить свою одномерную временную ось перпендикулярно временной оси пуль. Сущий пустяк, согласитесь. На самом деле всё намного сложнее.

Точное время во вселенной с двумя временными измерениями будет определяться двумя значениями. Слабо представить себе двумерное событие? То есть, такое, которое протяжённо одновременно по двум временным осям? Вполне вероятно, что в таком мире потребуются специалисты по составлению карты времени, как картографы составляют карты двухмерной поверхности земного шара.

Что ещё отличает двумерное пространство от одномерного? Возможность обходить препятствие, например. Это уже совсем за границами нашего разума. Житель одномерного мира не может представить себе как это - завернуть за угол. Да и что это такое - угол во времени? Кроме того, в двумерном пространстве можно путешествовать вперёд, назад, да хоть по диагонали. Я без понятия как это - пройти через время по диагонали. Я уж не говорю о том, что время лежит в основе многих физических законов, и как изменится физика Вселенной с появлением ещё одного временного измерения, невозможно представить. Но размышлять об этом так увлекательно!

Очень большая энциклопедия

Другие измерения ещё не открыты, и существуют только в математических моделях. Но можно попробовать представить их так.

Как мы выяснили раньше, мы видим трёхмерную проекцию четвёртого (временного) измерения Вселенной. Другими словами, каждый момент существования нашего мира - это точка (аналогично нулевому измерению) на отрезке времени от Большого взрыва до Конца Света.

Те из вас, кто читал про перемещения во времени, знают какую важную роль в них играет искривление пространственно-временного континуума. Вот это и есть пятое измерение - именно в нём «сгибается» четырёхмерное пространство-время, чтобы сблизить две какие-то точки на этой прямой. Без этого путешествие между этими точками было бы слишком длительным, или вообще невозможным. Грубо говоря, пятое измерение аналогично второму - оно перемещает «одномерную» линию пространства-времени в «двумерную» плоскость со всеми вытекающими в виде возможности завернуть за угол.

Наши особо философско-настроенные читатели чуть ранее, наверное, задумались о возможности свободной воли в условиях, где будущее уже существует, но пока ещё не известно. Наука на этот вопрос отвечает так: вероятности. Будущее - это не палка, а целый веник из возможных вариантов развития событий. Какой из них осуществится - узнаем когда доберёмся.

Каждая из вероятностей существует в виде «одномерного» отрезка на «плоскости» пятого измерения. Как быстрее всего перескочить из одного отрезка на другой? Правильно - согнуть эту плоскость, как лист бумаги. Куда согнуть? И снова правильно - в шестом измерении, которое придаёт всей этой сложной структуре «объём». И, таким образом, делает её, подобно трёхмерному пространству, «законченной», новой точкой.

Седьмое измерение - это новая прямая, которая состоит из шестимерных «точек». Что представляет собой какая-либо другая точка на этой прямой? Весь бесконечный набор вариантов развития событий в другой вселенной, образованной не в результате Большого Взрыва, а в других условиях, и действующей по другим законам. То есть, седьмое измерение - это бусы из параллельных миров. Восьмое измерение собирает эти «прямые» в одну «плоскость». А девятое можно сравнить с книгой, которая уместила в себя все «листы» восьмого измерения. Это совокупность всех историй всех вселенных со всеми законами физики и всеми начальными условиями. Снова точка.

Тут мы упираемся в предел. Чтобы представить себе десятое измерение, нам нужна прямая. А какая может быть другая точка на этой прямой, если девятое измерение уже покрывает всё, что только можно себе представить, и даже то, что и представить невозможно? Получается, девятое измерение - это не очередная отправная точка, а финальная - для нашей фантазии, во всяком случае.

Теория струн утверждает, что именно в десятом измерении совершают свои колебания струны - базовые частицы, из которых состоит всё. Если десятое измерение содержит себе все вселенные и все возможности, то струны существуют везде и всё время. В смысле, каждая струна существует и в нашей вселенной, и любой другой. В любой момент времени. Сразу. Круто, да? опубликовано

Физики привыкли работать с частицами: теория отработана, эксперименты сходятся. Ядерные реакторы и атомные бомбы рассчитываются с помощью частиц. С одной оговоркой - во всех расчетах не учитывается гравитация.

Гравитация - это притяжение тел. Когда говорим о гравитации, представляем земное притяжение. Телефон падает из рук на асфальт под действием гравитации. В космосе Луна притягивается к Земле, Земля к Солнцу. Все в мире притягивается друг к другу, но чтобы почувствовать это, нужны очень тяжелые объекты. Мы ощущаем притяжение Земли, которая в 7,5×10 22 раз тяжелее человека, и не замечаем притяжения небоскреба, который тяжелее в 4×10 6 раз.

7,5×10 22 = 75 000 000 000 000 000 000 000

4×10 6 = 4 000 000

Гравитацию описывает общая теория относительности Эйнштейна. В теории массивные объекты искривляют пространство. Чтобы понять, выйдите в детский парк и положите на батут тяжелый камень. На резине батута появится воронка. Если положить на батут маленький шарик, то он скатится по воронке к камню. Примерно так планеты образуют воронку в пространстве, а мы, как шарики, падаем на них.

Планеты настолько массивные, что искривляют пространство

Для того чтобы описать все на уровне элементарных частиц, гравитация не нужна. По сравнению с другими силами, гравитация так мала, что ее просто выкинули из квантовых расчетов. Сила земной гравитации меньше силы, удерживающей частицы атомного ядра, в 10 38 раз. Это справедливо почти для всей вселенной.

10 38 = 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

Единственное место, где гравитация так же сильна, как и другие взаимодействия - внутри черной дыры. Это гигантская воронка, в которой гравитация сворачивает само пространство и втягивает все, что рядом. Даже свет залетает в черную дыру и обратно не возвращается.

Чтобы работать с гравитацией как с другими частицами, физики придумали квант гравитации - гравитон. Провели расчеты, но они не сошлись. Вычисления показывали, что энергия гравитона растет до бесконечности. А такого быть не должно.

Физики сначала придумывают, потом ищут. Бозон Хиггса придумали за 50 лет до открытия.

Проблемы с расходимостями в расчетах пропали, когда гравитон рассмотрели не как частицу, а как струну. Струны имеют конечную длину и энергию, поэтому энергия гравитона может расти только до определенного предела. Так у ученых появился работающий инструмент, с помощью которого они изучают черные дыры.

Успехи в изучении черных дыр помогают понять, как появилась вселенная. По теории Большого взрыва мир вырос из микроскопической точки. В первые мгновения жизни вселенная была очень плотной - в малом объеме собрались все современные звезды и планеты. Гравитация не уступала в силе другим взаимодействиям, поэтому знание эффектов гравитации важно для понимания ранней вселенной.

Успехи в описании квантовой гравитации - шаг к созданию теории, которая опишет все на свете. Такая теория объяснит, как вселенная родилась, что в ней происходит сейчас, и каким будет ее конец.