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.
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:
1972 |
Квантовая хромодинамика |
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.
Наука является необъятной сферой и огромное количество исследований и открытий проводится ежедневно, при этом стоит заметить, что некоторые теории вроде и являются интересными, но при этом они не имеют реальных подтверждений и как бы «висят в воздухе».
Что такое теория струн?
Физическая теория, представляющая частицы в форме вибрации, называется теорией струн. У этих волн есть только один параметр – долгота, а высота и ширина отсутствуют. Выясняя, что это теория струн, следует рассмотреть основные гипотезы, которые она описывает.
- Предполагается, что все вокруг состоят из нитей, которые вибрируют, и мембран энергии.
- Пытается соединить воедино общую теорию относительности и квантовую физику.
- Теория струн дает шанс объединить все фундаментальные силы Вселенной.
- Предсказывает симметричную связь между разными типами частиц: бозонами и фермионами.
- Дает шанс описать и представить измерения Вселенной, которые ранее не наблюдались.
Теория струн – кто открыл?
- Впервые в 1960 году квантовая теория струн была создана, чтобы объяснить явление в адронной физике. В это время ее развивали: Г. Венециано, Л. Сасскинд, Т. Гото и другие.
- Рассказал, что такое теория струн, ученый Д. Шварц, Ж. Шерк и Т. Енэ, поскольку они разрабатывали гипотезу бозонных струн, а произошло это через 10 лет.
- В 1980 года два ученых: М. Грин и Д. Шварц выделили теорию суперструн, которые обладали уникальными симметриями.
- Исследования предложенной гипотезы проводятся и по сей день, но доказать ее пока не удалось.
Теория струн – философия
Есть философское направление, которое имеет связь с теорией струн, а называют его монадой. Она подразумевает использование символов для того, чтобы компактифицировать любой объем информации. Монада и теория струн в философии используют противоположности и двойственности. Самый популярный простой символ монады – Инь-Янь. Специалисты предложили изобразить теорию струн на объемной, а не на плоской монаде и тогда струны будут являться реальностью, хоть их длинна и будет мизерной.
Если используется объемная монада, то линия, разделяющая Инь-Янь, будет плоскостью, а применяя многомерную монаду, получают свернутый в спираль объем. Пока нет работы по философии, касающейся многомерных монад - это сфера для изучения в будущем. Философы считают, что познание является бесконечным процессом и при попытке создать единую модель мироздания, человек еще не раз удивится и изменит свои базисные понятия.
Недостатки теории струн
Поскольку гипотеза, предложенная рядом ученых, является неподтвержденной, то вполне объяснимо наличие ряда проблем, указывающих на необходимость ее доработки.
- Имеет теория струн заблуждения, например, при вычислениях был обнаружен новый тип частиц – тахионы, но они не могут существовать в природе, поскольку квадрат их массы меньше нуля, а скорость перемещения больше скорости света.
- Теория струн может существовать только в десятимерном пространстве, но тогда актуальным является вопрос – почему человек не воспринимает другие измерения?
Теория струн – доказательство
Две основные физические конвенции, на которых строятся научные подтверждения, на самом деле противостоят друг другу, поскольку они по-разному представляют строение мироздания на микроуровне. Чтобы их примерить, была предложена теория космических струн. По многим параметрам она выглядит достоверной и не только на словах, но и по математическим расчетам, но на сегодняшний день у человека нет возможности практически доказать ее. Если струны существуют, что они находятся на микроскопическом уровне, и пока нет технических возможностей, чтобы их распознать.
Теория струн и Бог
Известный физик-теоретик М. Каку предложил теорию, в которой он при помощи гипотезы струн доказывает существование Господа. Он пришел к выводу, что все в мире действует согласно определенным законам и правилам, установленным единым Разумом. По словам Каку теория струн и скрытые измерения Вселенной помогут создать уравнение, объединяющее все силы природы и позволяющее понимать разум Бога. Упор своей гипотезы он делает на частицах тахионах, которые движутся быстрее света. Еще Эйнштейн говорил о том, что если обнаружить такие части, то можно будет двигать время назад.
Проведя ряд экспериментов, Каку сделал вывод, что жизнь человека управляется стабильными законами, а не реагирует на космические случайности. Теория струн в жизни существует, и она связана с неизвестной силой, которая контролирует жизнь и делает ее целостной. По его мнению, это и есть . Каку уверен, что Вселенная представляет собой вибрирующие струны, которые исходят из разума Всевышнего.
В начале XX века были сформированы две несущие опоры современного научного знания. Одной из них является общая теория относительности Эйнштейна, объясняющая явление силы тяжести и структуру пространства-времени. Другая - квантовая механика, описывающая физические процессы сквозь призму вероятности. Объединить эти два подхода призвана теория струн. Кратко и понятно объяснить ее можно, используя аналогии в повседневной жизни.
Теория струн простым языком
Основные положения одной из наиболее известных «теорий всего» сводятся к следующему:
- Основу мироздания составляют протяженные объекты, которые по форме напоминают струны;
- Этим объектам свойственно совершать различные колебания, словно на музыкальном инструменте;
- В результате этих колебаний образуются различные элементарные частицы (кварки, электроны и т.д.).
- Масса полученного объекта прямо пропорциональна амплитуде совершенного колебания;
- Теория помогает по-новому взглянуть на черные дыры;
- Также с помощью нового учения удалось раскрыть силу тяжести во взаимодействиях между фундаментальными частицами;
- В отличии господствующих ныне представлений о четырехмерном мире, в новой теории вводятся дополнительные измерения;
- В настоящее время концепция еще не принята официально в широком научном сообществе. Не известно ни одного эксперимента, который бы подтверждал эту гармоничную и выверенную на бумаге теорию.
Историческая справка
История данной парадигмы охватывает несколько десятилетий интенсивных исследований. Благодаря совместным усилиям физиков по всему миру, была разработана стройная теория, включающая концепции конденсированных сред, космологию и теоретическую математику.
Основные этапы ее развития:
- 1943-1959 гг. Появилось учение Вернера Гейзенберга об s-матрице, в рамках которого предлагалось отбросить понятия пространства и времени для квантовых явлений. Гейзенберг впервые обнаружил, что участники сильных взаимодействий представляют собой протяженные объекты, а не точки;
- 1959-1968 гг. Были обнаружены частицы с высокими спинами (моментами вращения). Итальянский физик Туллио Редже предложит группировать квантовые состояния в траектории (которые были названы его именем);
- 1968-1974 гг. Гарибрэле Венециано предложил модель двойного резонанса для описания сильных взаимодействий. Есиро Намбу развил эту идею и описал ядерные силы как вибрационные одномерные струны;
- 1974-1994 гг. Открытие суперструн, во многом благодаря работам российского ученого Александра Полякова;
- 1994-2003 гг. Появление М-теории, допустила большее, чем 11, количество измерений;
- 2003 - н. в. Майкл Дуглас разработал ландшафтную теорию струн с понятием ложного вакуума .
Теория квантовых струн
Ключевыми объектами в новой научной парадигме являются тончайшие объекты , которые своими колебательными движениями сообщают массу и заряд всякой элементарной частице.
Основные свойства струн согласно современным представлениям:
- Длина их чрезвычайно мала - около 10 -35 метров. В подобном масштабе становятся различимы квантовые взаимодействия;
- Однако в обыкновенных лабораторных условиях, которые не имеют дела с такими мелкими объектами, струна абсолютно неотличима от безразмерного точечного объекта;
- Важной характеристикой струнного объекта является ориентация. Струны, обладающие ей, имеют пару с противоположным направлением. Существуют также неориентированные экземпляры.
Струны могут существовать как в виде отрезка, ограниченного с обоих концов, так и в виде замкнутой петли. Причем возможны такие превращения:
- Отрезок или петля могут «размножиться», дав начало паре соответствующих объектов;
- Отрезок дает начало петле, если часть его «закольцуется»;
- Петля разрывается и становится открытой струной;
- Два отрезка обмениваются сегментами.
Прочие фундаментальные объекты
В 1995 году оказалось, что не одни только одномерные объекты являются кирпичиками нашего мироздания. Было предсказано существование необычных формаций - бранов - в виде цилиндра или объемного кольца, которые имеют такие особенности:
- Они в несколько миллиардов раз меньше атомов;
- Могут распространяться через пространство и время, имеют массу и заряд;
- В нашей Вселенной они представляют собой трехмерные объекты. Однако предполагают, что их форма гораздо более загадочна, поскольку значительная их часть может простираться в другие измерения;
- Многомерное пространство, которое скрывается под бранами, является гиперпространством;
- С этими структурами связывают существование частиц, являющихся переносчиками силы тяжести - гравитонов. Они свободно отделяются от бранов и плавно перетекают в другие измерения;
- На бранах локализованных также электромагнитные, ядерные и слабые взаимодействия;
- Наиболее важной разновидностью являются D-браны. На их поверхности крепятся конечные точки открытой струны в тот момент, когда она проходит сквозь пространство.
Критические замечания
Как и всякая научная революция, эта пробивается сквозь тернии непонимания и критики со стороны адептов традиционных взглядов.
Среди наиболее часто высказываемых замечаний:
- Введение дополнительных измерений пространства-времени создает гипотетическую возможность существования огромного количества вселенных. По словам математика Питера Вольта, это приводит к невозможности предсказания любых процессов или явлений. Всякий эксперимент запускает большое количество различных сценариев, которые могут быть интерпретированы различными способами;
- Отсутствует возможность подтверждения. Современный уровень развития техники не позволяет экспериментально подтвердить или опровергнуть кабинетные исследования;
- Последние наблюдения за астрономическими объектами не волне укладываются в положения теории, что заставляет ученых пересматривать некоторые свои выводы;
- Ряд физиков высказывают мнение, что концепция является спекулятивной и тормозит развитие других фундаментальных представлений.
Пожалуй, легче доказать теорему Ферма, чем простыми словами разъяснить положения теории струн. Математический аппарат ее столь обширен, что понять ее под силу лишь маститым ученым из крупнейших НИИ.
До сих пор не ясно, найдут ли реальное применение сделанные за последние десятки лет на кончике пера открытия. Если да, то нас ждет дивный новый мир с антигравитацией, множеством вселенных и разгадкой природы черных дыр.
Видео: теория струн кратко и доступно
В данном ролике физик Станислав Ефремов расскажет простыми словами, в чем заключается теория струн:
Теория струн — это тонкая нить, соединяющая теорию относительности (или Общую Теорию Относительности — ОТО) и квантовую физику. Обе эти отрасли появились совсем недавно в масштабах науки, поэтому даже научной литературы пока не слишком много по данным отраслям. И, если теория относительности еще имеет под собой какую-то базу, проверенную временем, то квантовый раздел физики в этом плане еще совсем молод. Давайте для начала разберемся в двух этих отраслях.
Наверняка многие из вас слышали про теорию относительности, даже немного знакомы с некоторыми ее постулатами, но вот вопрос: почему ее никак нельзя связать с физикой квантов, которая работает на микроуровне?
Разделяют Общую и Специальную теории относительности (сокращенно ОТО и СТО, далее будут использоваться как сокращения). Говоря кратко, ОТО постулирует о космическом пространстве и его искривлении, а СТО об относительности пространства-времени со стороны человека. Говоря о теории струн, мы затрагиваем конкретно ОТО. Общая Теория Относительности говорит о том, что в космосе под действием массивных объектов пространство искривляется вокруг него (а вместе с ним и время, ведь пространство и время — это совершенно неразделимые понятия). Понять, как это происходит, поможет пример из жизни ученых. Недавно был зафиксирован подобный случай, поэтому все рассказанное можно считать «основанным на реальных событиях». Ученый смотрит в телескоп и видит две звезды: одна находится впереди, а другая позади нее. Как мы смогли это понять? Очень просто, ведь та звезда, центра которой мы не видим, а видны только края — большая из этих двух, а другая звезда, которая видна в полном своем виде, является меньшей. Однако, благодаря ОТО, может быть и такое, что та звезда, которая впереди — больше, чем та, что позади. Но разве такое возможно?
Оказывается да. Если передняя звезда окажется супермассивным объектом, который будет очень сильно искривлять пространство вокруг себя, то изображение той звезды, что находится позади, просто напросто обогнет сверхмассивную звезду по искривлению и мы увидим картинку, о которой говорилось в самом начале. Подробнее вы можете рассмотреть сказанное на рис. 1.
Квантовая физика намного сложнее для обычного человека, нежели ТО. Если обобщить все ее положения, то получится следующее: микрообъекты существуют только тогда, когда мы смотрим на них. Кроме того, физика квантов говорит также о том, что, если разорвать микрочастицу на две части, то эти две части будут продолжать вертеться по своей оси в одном и том же направлении. А также любые воздействия на первую частицу несомненно передадутся и второй, причем мгновенно и совершенно независимо от удаленности этих частиц. 
Так в чем же сложность по совмещению понятий двух этих теорий? Дело в том, что ОТО рассматривает объекты в макромире, а когда мы говорим об искажении/искривлении пространства, то мы подразумеваем идеально гладкое пространство, что совершенно не согласуется с положениями микромира. По теории квантовой физики микромир совершенно неровный, имеет вездесущие шероховатости. Это если говорить обыденным языком. А математики и физики вовлекли свои теории в формулы. И вот, когда формулы квантовой физики и ОТО попытались соединить, то в ответе получилась бесконечность. Бесконечность в физике равносильна утверждению, что уравнение построено неправильно. Полученное равенство перепроверяли на много раз, но ответ по-прежнему был бесконечностью.
Теория струн внесла коренные изменения в будничный мир науки. Она представляет собой постановление о том, что все микрочастицы не шарообразной формы, а формы вытянутых струн, которые пронизывают всю нашу вселенную. Такие величины как масса, скорость частиц и прочее устанавливаются колебаниями этих струн. Каждая такая струна по теории находится в многообразии Калаби-Яу. Эти многообразия представляют собой очень искривленное пространство. По теории многообразия ничем не соединены в пространстве и находятся маленькими клубочками по отдельности. Теория струн буквально стирает четкие границы у процесса соединения двух микрочастиц. Когда микрочастицы представлены шарами, то мы четко можем отследить границу в пространстве-времени, когда они соединяются. Однако, если соединяются две струны, то место их «склеивания» можно рассмотреть под разными углами. А под разными углами мы получим совершенно разные результаты границы их соединения, то есть точного понятия такой границы просто нет!
На первом этапе изучения теория струн, рассказанная даже простыми словами кажется загадочной, странной и даже просто вымышленной, но за нее говорят не голословные слова, а исследования, которые по многим уравнениям и параметрам подтверждают вероятность существования частиц-струн.
И, напоследок, еще одно видео, объясняющее теорию струн простым языком от интернет — журнала QWRT.