Теория струн

Теория струн — физическая теория, в которой частицы описаны как волны на струнах — формы вибрации, имеющей долготу, но не высоту или ширину, то есть струны не обладают другими измерениями, они имеют только длину.

Долгое время физики боролись с величайшей проблемой, стоящей перед наукой, — пропастью, разделяющей теорию относительности и квантовую механику. Обе эти теории вобрали в себя все фундаментальные физические знания о Вселенной. Общая теория относительности и квантовая теория диаметрально противоположны друг другу практически во всех отношениях. Общая теория относительности — это теория очень большого: черных дыр, Больших Взрывов, квазаров и расширяющейся Вселенной. Квантовая теория в точности противоположна — она описывает мир всего крошечного: атомов, протонов с нейтронами и кварков. В этих двух теориях все различно — математические подходы, физические принципы и области применения. Не удивительно, что все попытки их объединения заканчивались провалом.

Все изменилось с появлением теории суперструн, которая утверждает, что электрон и другие субатомные частицы представляют собой не что иное, как различные колебания струны, работающей примерно как крошечная резиновая лента. Если дернуть за натянутую резинку, она будет вибрировать на разные лады — при этом каждая нота соответствует конкретной субатомной частице. Таким образом, теория суперструн объясняет существование сотен субатомных частиц, обнаруженных учеными при помощи ускорителей.

Сегодня многие физики верят в то, что найдена «теория всего» — теория суперструн, или М-теория, которые стали первым крупным достижением после теории Эйнштейна. В этих теориях содержатся дальнейшие доказательства того, что наша Вселенная — лишь одна из многих. В настоящее время только М-теория способна объединить теорию относительности и квантовую механику в связное целое, только М-теория способна создать «теорию всего».

В теории струн фундаментальные объекты не частицы, занимающие единственную точку в пространстве, а одномерные струны. Эти струны могут иметь концы или замыкаться на себя, образуя петли. В точности как струны скрипки, они могут поддерживать разные режимы колебаний или резонансные частоты, длины волн которых целое число раз укладываются между концами струны. Но если разные частоты колебаний скрипичных струн порождают разные музыкальные тона, различные режимы колебаний в теории струн соответствуют разным массам и зарядам, что интерпретируется как различные фундаментальные частицы. Чем короче длина волны колебания струны, тем больше масса частицы.

Стивен Хокинг считает, что различные теории струн и различные способы свернуть дополнительные измерения являются просто различными способами описать одни и те же явления в четырех измерениях. Теоретики струн убеждены, что пять различных теорий струн и супергравитация — только различные приближения к более фундаментальной теории, которую называют М-теорией.

В середине 1990-х Эдвард Виттен и другие физики-теоретики обнаружили веские доказательства того, что различные суперструнные теории представляют собой различные случаи неразработанной на то время 11-мерной М-теории. Это открытие ознаменовало вторую суперструнную революцию.

Когда Виттен дал название М-теории, он не уточнял, что обозначает «М». Предположения о том, что может обозначать М, стало игрой среди физиков-теоретиков. Одни говорят, что М означает «Мистическая», «Магическая» или «Материнская». Более серьёзные предположения — «Матричная» и «Мембранная». Скептики заметили, что М может быть перевёрнутой W — первая буква имени Witten (Виттен). Другие предполагают, что М в М-теории должно означать «Недостающая».

Ученые считают, что только в 10-ти и 11-ти мерном гиперпространстве «достаточно места», чтобы объединить все природные взаимодействия в единую теорию. Такая теория сможет ответить на извечные вопросы: Что произошло еще до начала? Можно ли обратить время вспять? Могут ли порталы в другие измерения перенести нас через Вселенную? Могут ли существовать в дополнительных измерениях новые законы физики?

В настоящее время существует несколько теорий о том, что представляла собой эпоха до Большого взрыва. В одном сценарии наша Вселенная представляет собой гигантский пузырь непонятной природы, который непрерывно расширяется. Мы живем на оболочке этого гигантского пузыря. Но наша Вселенная-пузырь существует в океане других пузырей-вселенных, образующих вместе Мультивселенную — что-то вроде вселенской пены. Время от времени эти пузыри могут сталкиваться, а могут делиться на более мелкие пузыри и затем снова расширяться — «вечная инфляция».

Мы верим, что наш мир состоит из всего, что мы видим, мы и представить себе не можем, что прямо у нас перед носом могут существовать целые вселенные. Хотя другая вселенная могла бы «парѝть» в четвертом измерении всего лишь в нескольких сантиметрах над нами, она была бы невидимой. Наша Вселенная четырехмерна (в ней три пространственных измерений и одно временное), это означает, что остальные шесть измерений должны быть каким-то образом схлопнуты, или свернуты.

Если существуют космические струны, которые могли возникнуть на ранних этапах эволюции Вселенной, то почему мы не замечаем эти лишние измерения? Согласно теории струн, они скручены в пространство очень небольшого размера, в масштабе настолько маленьком, что мы их не видим. В теории струн дополнительные измерения свернуты в так называемое «внутреннее пространство», в противоположность трехмерному пространству, которое мы видим в повседневной жизни.

Мичио Каку — один из авторов теории струн, считает, что с появлением теории струн, физики начинают пересматривать свое отношение к таким фантастическим идеям, как путешествия во времени и параллельные вселенные. Сколько вселенных предсказывает теория струн? Вселенных может быть множество — многие триллионы вселенных, каждая из которых вполне согласуется с теорией относительности и квантовой теорией. Согласно одной из оценок, может существовать гугол таких вселенных. (Гугол — единица со ста нулями)

Один из вариантов путешествий во времени предложил в 1991 г. Ричард Готт. Его решение основывается на обнаружении в пространстве гигантских космических струн (возможно, оставшихся со времен Большого взрыва). Готт предположил, что если быстро обогнуть две такие космические струны, которые собираются столкнуться, — попадешь в прошлое. Но, «дорога» в прошлое при этом откроется на очень короткий промежуток времени.

В 1997 году Хуан Малдасена из Института передовых исследований в Принстоне вызвал сенсацию, показав, что струнная теория ведет к новому типу голографической вселенной. Малдасена предположил, что Вселенная состоит из 9 измерений пространства и одного времени.

Голографическая теория доказывает, что весь мир, который мы наблюдаем каждый день, на самом деле — 3D проекция двухмерного варианта вселенной. Согласно данной теории, гравитация, которая существует во вселенной, генерируется некими тонкими постоянно вибрирующими струнами, которые представляют собой последовательные голограммы событий.

Несмотря на математическую строгость и целостность теории, пока не найдены варианты экспериментального подтверждения теории струн. Развитие теории струн продолжается, и есть надежда^, что недостающие элементы струнных теорий будут найдены в ближайшем будущем, в том числе в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере.