Что такое теория струн. Почему физики считают, что теория струн может оказаться «теорией всего

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.

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

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.

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.

Приходила ли вам в голову мысль, что вселенная похожа на виолончель? Правильно - не приходила. Потому что вселенная не похожа на виолончель. Но это не означает, что у нее нет струн.

Конечно, струны мироздания едва ли похожи на те, которые мы себе представляем. В теории струн ими называются невероятно малые вибрирующие нити энергии. Эти нити похожи, скорее, на крошечные "Резинки", способные извиваться, растягиваться и сжиматься на все лады

Все это, однако, не означает, что на них нельзя "Сыграть" симфонию вселенной, ведь из этих "нитей", по мнению струнных теоретиков, состоит все сущее.

Противоречие физики.
Во второй половине XIX века физикам казалось, что ничего серьезного в их науке открыть больше нельзя. Классическая физика считала, что серьезных проблем в ней не осталось, а все устройство мира выглядело идеально отлаженной и предсказуемой машиной. Беда, как и водится, случилась из-за ерунды - одного из мелких "Облачков", еще остававшихся на чистом, понятном небе науки. А именно - при расчете энергии излучения абсолютно черного тела (гипотетическое тело, которое при любой температуре полностью поглощает падающее на него излучение, независимо от длины волны - NS. Расчеты показывали, что общая энергия излучения любого абсолютно черного тела должна быть бесконечно большой. Чтобы уйти от столь явного абсурда, немецкий ученый Макс Планк в 1900 году предположил, что видимый свет, рентгеновские лучи и другие электромагнитные волны могут испускаться только некоторыми дискретными порциями энергии, которые он назвал квантами. С их помощью удалось решить частную проблему абсолютно черного тела. Однако последствия квантовой гипотезы для детерминизма тогда еще не осознавались. Пока в 1926 году другой немецкий ученый, Вернер Гейзенберг, не сформулировал знаменитый принцип неопределенности.

Суть его сводится к тому, что вопреки всем господствующим до того утверждениям, природа ограничивает нашу способность предсказывать будущее на основе физических законов. Речь, конечно, идет о будущем и настоящем субатомных частиц. Выяснилось, что они ведут себя совершенно не так, как это делают любые вещи в окружающем нас макромире. На субатомном уровне ткань пространства становится неровной и хаотичной. Мир крошечных частиц настолько бурный и непонятный, что это противоречит здравому смыслу. Пространство и время в нем настолько искривлены и переплетены, что там нет обычных понятий левого и правого, верха и низа, и даже до и после. Не существует способа сказать наверняка, в какой именно точке пространства находится в данный момент та или иная частица, и каков при этом момент ее импульса. Существует лишь некая вероятность нахождения частицы во множестве областей пространства - времени. Частицы на субатомном уровне словно "Размазаны" по пространству. Мало этого, не определен и сам "Статус" частиц: в одних случаях они ведут себя как волны, в других - проявляют свойства частиц. Это то, что физики называют корпускулярно-волновым дуализмом квантовой механики.

В общей теории относительности, словно в государстве с противоположными законами, дело обстоит принципиально иначе. Пространство представляется похожим на батут - гладкую ткань, которую могут изгибать и растягивать объекты, обладающие массой. Они создают деформации пространства - времени - то, что мы ощущаем как гравитацию. Стоит ли говорить, что стройная, правильная и предсказуемая общая теория относительности находится в неразрешимом конфликте с "Взбалмошной Хулиганкой" - квантовой механикой, и, как следствие, макромир не может "помириться" с микромиром. Вот тут на помощь и приходит теория струн.

Теория всего.
Теория струн воплощает мечту всех физиков по объединению двух, в корне противоречащих друг другу ото и квантовой механики, мечту, которая до конца дней не давала покоя величайшему "Цыгану и Бродяге" Альберту Эйнштейну.

Многие ученые уверены, что всё, от изысканного танца галактик до безумной пляски субатомных частиц, может в итоге объясняться всего одним фундаментальным физическим принципом. Может быть - даже единым законом, который объединяет все виды энергии, частиц и взаимодействий в какой-нибудь элегантной формуле.

Ото описывает одну из самых известных сил вселенной - гравитацию. Квантовая механика описывает три других силы: сильное ядерное взаимодействие, которое склеивает протоны и нейтроны в атомах, электромагнетизм и слабое взаимодействие, которое участвует в радиоактивном распаде. Любое событие в мироздании, от ионизации атома до рождения звезды, описывается взаимодействиями материи посредством этих четырех сил. С помощью сложнейшей математики удалось показать, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют общую природу, объединив их в единое электрослабое. Впоследствии к ним добавилось и сильное ядерное взаимодействие - но вот гравитация к ним не присоединяется никак. Теория струн - одна из самых серьезных кандидаток на то, чтобы соединить все четыре силы, а, значит, объять все явления во вселенной - недаром ее еще называют "Теорией Всего".

Вначале был миф.
До сих пор далеко не все физики пребывают в восторге от теории струн. А на заре ее появления она и вовсе казалась бесконечно далекой от реальности. Само ее рождение - легенда.

В конце 1960-х годов молодой итальянский физик - теоретик Габриэле венециано искал уравнения, которые смогли бы объяснить сильные ядерные взаимодействия - чрезвычайно мощный "Клей", который скрепляет ядра атомов, связывая воедино протоны и нейтроны. Согласно легенде, как-то он случайно наткнулся на пыльную книгу по истории математики, в которой нашел уравнение двухсотлетней давности, впервые записанное швейцарским математиком Леонардом Эйлером. Каково же было удивление венециано, когда он обнаружил, что уравнение Эйлера, которое долгое время считали ничем иным, как математической диковинкой, описывает это сильное взаимодействие.

Как же было на самом деле? Уравнение, вероятно, стало результатом долгих лет работы венециано, а случай лишь помог сделать первый шаг к открытию теории струн. Уравнение Эйлера, чудесным образом объяснившее сильное взаимодействие, обрело новую жизнь.

В конце концов, оно попалось на глаза молодому американскому физику - теоретику Леонарду сасскинду, который увидел, что в первую очередь формула описывала частицы, которые не имели внутренней структуры и могли вибрировать. Эти частицы вели себя так, что не могли быть просто точечными частицами. Сасскинд понял - формула описывает нить, которая подобна упругой резинке. Она могла не только растягиваться и сжиматься, но и колебаться, извиваться. Описав свое открытие, сасскинд представил революционную идею струн.

К сожалению, подавляющее большинство его коллег встретили теорию весьма прохладно.

Стандартная модель.
В то время общепринятая наука представляла частицы точками, а не струнами. В течение многих лет физики исследовали поведение субатомных частиц, сталкивая их на высоких скоростях и изучая последствия этих столкновений. Выяснилось, что вселенная намного богаче, чем это можно было себе представить. Это был настоящий "Демографический Взрыв" элементарных частиц. Аспиранты физических вузов бегали по коридорам с криками, что открыли новую частицу, - не хватало даже букв для их обозначения.

Но, увы, в "Родильном Доме" новых частиц ученые так и не смогли отыскать ответ на вопрос - зачем их так много и откуда они берутся?

Это подтолкнуло физиков к необычному и потрясающему предсказанию - они поняли, что силы, действующие в природе, также можно объяснить с помощью частиц. То есть существуют частицы материи, а есть частицы - переносчики взаимодействий. Таковым, например, является фотон - частица света. Чем больше этих частиц - переносчиков - тех же фотонов, которыми обмениваются частицы материи, тем ярче свет. Ученые предсказывали, что именно этот обмен частицами - переносчиками - есть не что иное, как то, что мы воспринимаем как силу. Это подтвердилось экспериментами. Так физикам удалось приблизиться к мечте Эйнштейна по объединению сил.

Ученые считают, что если мы перенесемся к моменту сразу после большого взрыва, когда вселенная была на триллионы градусов горячее, частицы - переносчики электромагнетизма и слабого взаимодействия станут неразличимы и объединятся в одну - един ственную силу, называемую электрослабой. А если вернуться во времени еще дальше, то электрослабое взаимодействие соединилось бы с сильным в одну суммарную "Суперсилу".

Несмотря на то, что все это еще ждет своих доказательств, квантовая механика вдруг объяснила, как три из четырех сил взаимодействуют на субатомном уровне. Причем объяснила красиво и непротиворечиво. Эта стройная картина взаимодействий, в конечном счете, получила название стандартной модели. Но, увы, и в этой совершенной теории была одна большая проблема - она не включала в себя самую известную силу макроуровня - гравитацию.

Гравитон.
Для не успевшей "Расцвести" теории струн наступила "осень", уж слишком много проблем она содержала с самого рождения. Например, выкладки теории предсказали существование частиц, которых, как точно установили вскоре, не существует. Это так называемый тахион - частица, которая движется в вакууме быстрее света. Помимо прочего выяснилось, что теория требует целых 10 измерений. Неудивительно, что это очень смущало физиков, ведь это очевидно больше, чем то, что мы видим.

К 1973 году только несколько молодых физиков все еще боролись с загадочными выкладками теории струн. Одним из них был американский физик - теоретик Джон Шварц. В течение четырех лет Шварц пытался приручить непослушные уравнения, но без толку. Помимо других проблем, одно из этих уравнений упорно описывало таинственную частицу, которая не имела массы и не наблюдалась в природе.

Ученый уже решил забросить свое гиблое дело, и тут его осенило - может быть, уравнения теории струн описывают, в том числе, и гравитацию? Впрочем, это подразумевало пересмотр размеров главных "Героев" теории - струн. Предположив, что струны в миллиарды и миллиарды раз меньше атома, "Струнщики" превратили недостаток теории в ее достоинство. Таинственная частица, от которой Джон Шварц так настойчиво пытался избавиться, теперь выступала в качестве гравитона - частицы, которую долго искали и которая позволила бы перенести гравитацию на квантовый уровень. Именно так теория струн дополнила пазл гравитацией, отсутствующей в стандартной модели. Но, увы, даже на это открытие научное сообщество никак не отреагировало. Теория струн оставалась на грани выживания. Но Шварца это не остановило. Присоединиться к его поискам захотел только один ученый, готовый рискнуть своей карьерой ради таинственных струн - Майкл Грин.

Субатомные матрешки.
Несмотря ни на что, в начале 1980-х годов теория струн все еще имела неразрешимые противоречия, называемые в науке аномалиями. Шварц и Грин принялись за их устранение. И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Каково же было изумление этих двоих, уже привыкших к тому, что их теорию пропускают мимо ушей, когда реакция ученого сообщества взорвала научный мир. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек. Именно тогда теорию струн наградили титулом теории всего. Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания. И вот эти составляющие.

Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц - электронов, которые кружатся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц - кварков. Но теория струн утверждает, что на кварках дело не заканчивается. Кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны. Каждая из таких струн невообразимо мала. Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров солнечной системы, струна была бы размером с дерево. Так же, как различные колебания струны виолончели создают то, что мы слышим, как разные музыкальные ноты, различные способы (моды) вибрации струны придают частицам их уникальные свойства - массу, заряд и прочее. Знаете, чем, условно говоря, отличаются протоны в кончике вашего ногтя от пока не открытого гравитона? Только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются.

Конечно, все это более чем удивительно. Еще со времен древней Греции физики привыкли к тому, что все в этом мире состоит из чего-то вроде шаров, крошечных частиц. И вот, не успев привыкнуть к алогичному поведению этих шаров, вытекающему из квантовой механики, им предлагается вовсе оставить парадигму и оперировать какими-то обрезками спагетти.

Как устроен мир.
Науке сегодня известен набор чисел, которые являются фундаментальными постоянными вселенной. Именно они свойства и характеристики всего вокруг нас определяют. Среди таких констант, например, заряд электрона, гравитационная постоянная, скорость света в вакууме. И если мы изменим эти числа даже в незначительное число раз - последствия будут катастрофическими. Предположим, мы увеличили силу электромагнитного взаимодействия. Что же произошло? Мы можем вдруг обнаружить, что ионы стали сильнее отталкиваться друг от друга, и термоядерный синтез, который заставляет звезды светить и излучать тепло, вдруг дал сбой. Все звезды погаснут.

Но причем здесь теория струн с ее дополнительными измерениями? Дело в том, что, согласно ей, именно дополнительные измерения определяют точное значение фундаментальных констант. Одни формы измерений заставляют одну струну вибрировать определенным образом, и порождают то, что мы видим, как фотон. В других формах струны вибрируют по-другому, и порождают электрон. Воистину бог кроется в "Мелочах" - именно эти крошечные формы определяют все основополагающие константы этого мира.

Теория суперструн.
В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. Всего за несколько лет возникло целых пять версий теории струн. И хотя каждая из них построена на струнах и дополнительных измерениях (все пять версий объединены в общую теорию суперструн - NS), в деталях эти версии расходились значительно.

Так, в одних версиях струны имели открытые концы, в других - напоминали кольца. А в некоторых вариантах теория даже требовала не 10, а целых 26 измерений. Парадокс в том, что все пять версий на сегодняшний день можно назвать одинаково верными. Но какая из них действительно описывает нашу вселенную? Это очередная загадка теории струн. Именно поэтому многие физики снова рукой на "Сумасбродную" теорию махнули.

Но самая главная проблема струн, как уже было сказано, в невозможности (по крайней мере, пока) доказать их наличие экспериментальным путем.

Некоторые ученые, однако, все же поговаривают, что на следующем поколении ускорителей есть очень минимальная, но все же возможность проверить гипотезу о дополнительных измерениях. Хотя большинство, конечно, уверено, что если это и возможно, то произойти это, увы, должно еще очень нескоро - как минимум через десятилетия, как максимум - даже через сотню лет.

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 элементарных частиц 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.

Теория струн - это одна из самых прогрессивных теорий современной физики, претендующая на звании "теории всего", т.е. такой теории, которая способна объяснить сущность мироздания на самом фундаментальном уровне. Сегодня эта теория является главной темой большинства научно-популярных передач и книг по физике. Она не дает покоя всем людям, интересующимся наукой на любительском и профессиональном уровне. Разобраться в ней крайне сложно даже самим физикам. И тем не менее, давайте все-таки попытаемся понять в чем же суть и величии данной теории. Но для этого нам придется отправится на несколько веков назад в историю науки…

Яблоко здесь ни при чем

Еще в XVII веке величайший ученый, чье имя известно всем и каждому - Исаак Ньютон, заложил основы классической механики. Он показал, что есть некое абсолютное, неизменное пространство и время, в рамках которых протекают все процессы. И. Ньютон даже вывел три закона, объясняющие как именно функционирует наш мир, показал как работает сила притяжения (гравитация). Однако, не сумел объяснить ее суть…

Так вот почему он показывал всем язык!

В начале XX века другой, не менее известный и гениальный ученый Альберт Эйнштейн решил завершить дело, начатое Ньютоном - объяснить что есть гравитация. Но в ходе своих исследований Эйнштейн увидел, что не только сущность гравитации представляет собой серьезную проблему, но и сами пространство и время не являются такими уж абсолютными и неизменными. В этом и заключается Теория относительности: пространство и время могут изменяться, искривляться и происходит это под действием массы тела, а также во многом зависит от скорости движения объекта (чем ближе к скорости света, тем медленнее идет время). Отсюда был сделан вывод и о гравитации: гравитация есть не какая-то загадочная "сила притяжения", а всего лишь навсего искривление пространства!

Так, Ньютон показал как функционирует механика в нашем, земном мире, Эйнштейн объяснил по каким законам живет космос. И все бы ничего, но тут в дело вмешалась квантовая физика…

Квантовое безобразие

Ученые от квантовой физики, в свою очередь, совсем не кстати для Эйнштейна, показали, что свои, совершенно особые законы действуют не только в макромире (космосе), но и в микромире. А самый главный ночной кошмар физиков заключается в том, что законы макромира (теория относительности) и законы микромира (квантовая механика) друг с другом не сочетаются и даже взаимно исключают друг друга. Но ведь они есть! И макромир и микромир как-то же сосуществуют в нашей физической реальности! А значит что-то не так с научными теориями, неспособными объяснить это противоречие.Так начались поиски новой теории, способной объяснить и воссоединить "и то, и другое" (теорию относительности и квантовую механику).

Вселенская гармония

Именно такой теорией сегодня и может стать теория струн. Именно она способна "примирить" фундаментальные физические противоречия. Так в чем же ее смысл? Согласно теории струн, в основе нашего мира лежат некие практические безмерные элементы ("струны"), которые несоизмеримо меньше даже атомного ядра и запрятаны в потаенных измерениях пространства (согласно теории струн, пространство может иметь 10 и более измерений). Вибрации этих "струн" порождают все известные нам элементарные частицы.

Далее в дело вступает математика, которая на языке формул снимает противоречие между теорией относительности и квантовой механикой. Логика примерно такая: так как в пространстве около 10 измерений, в которых "запрятаны" струны, то оно действительно может искривляться во все стороны, порождая не только гравитацию, но и саму вибрацию этих струн, что в свою очередь порождает элементарные частицы и все движения в микромире.

Есть над чем подумать

Это, пожалуй, примерно и есть тот максимум, который может осознать среднестатистический человек, не прибегая к сложным математическим формулам и неукладываемым в голове физическим понятиям. Стоит отметить, что сегодня не только теория струн претендует на звание "теории всего", и как же разрешится в итоге этот фундаментальный физический парадокс (несовместимость теории относительности и квантовой механики) покажет лишь время и новые гении. Хочется лишь надеяться, что произойдет это на нашем веку.

Теория струн и петлевой квантовой теории гравитации. Что было до Большого взрыва и откуда взялось время? В

теор ии квантовой гравитации привычное нам гладкое и непрерывное пространство на сверхмалых масштабах оказывается структурой с очень сложной геометрией(изображение с сайта www.aei.mpg.de)

Вопросы, вынесенные в заголовок, обычно физиками не обсуждаются, поскольку общепринятойтеор ии, способной на них ответить, пока нет. Однако недавно в рамках петлевой квантовой гравитации всё же удалось проследить эволюцию упрощенной модели Вселенной назад во времени, вплоть до момента Большого взрыва, и даже заглянуть за него. Попутно выяснилось, как именно в этой модели возникает время.

Наблюдения за Вселенной показывают, что и на самых больших масштабах она вовсе не неподвижна, аэволюционирует с течением времени. Если на основе современныхтеор ий проследить эту эволюцию назад во времени, то окажется, что наблюдаемая ныне часть Вселенной была раньше горячее и компактнее, чем сейчас, а начало ей далБольшой взрыв- некий процесс возникновения Вселенной из сингулярности: особой ситуации, для которой современные законы физики неприменимы.

Физиков такое положение вещей не устраивает: им хочется понять и сам процесс Большого взрыва. Именно поэтому сейчас предпринимаются многочисленные попытки построитьтеор ию, которая была бы применима и к этой ситуации. Поскольку в первые мгновения после Большого взрыва самой главной силой была гравитация, считается, что достичь этой цели возможно только в рамках непостроенной пока квантовойтеор ии гравитации.

Одно время физики надеялись, что квантовая гравитация будет описана с помощьютеор ии суперструн, нонедавний кризиссуперструнныхтеор ий поколебал эту уверенность. В такой ситуации больше внимания стали привлекать иные подходы к описанию квантовогравитационных явлений, и в частности, петлевая квантовая гравитации.

Именно в рамках петлевой квантовой гравитации недавно был получен очень впечатляющий результат. Оказывается, из-за квантовых эффектов начальная сингулярность исчезает. Большой взрыв перестает быть особой точкой, и удается не только проследить его протекание, но и заглянуть в то, что было до Большого взрыва. Краткое описание этих результатов было недавно опубликовано в статье A. Ashtekar, T. Pawlowski, P. Singh,Physical Review Letters, 96, 141301 (12 April 2006), доступной также какgr-qc/0602086, а их подробный вывод изложен в вышедшем на днях препринте этих же авторовgr-qc/0604013.

Петлевая квантовая гравитация принципиально отличается от обычных физическихтеор ий и даже оттеор ии суперструн. Объектамитеор ии суперструн, к примеру, являются разнообразные струны и многомерные мембраны, которые, однако, летают в заранее приготовленном для них пространстве и времени. Вопрос о том, как именно возникло это многомерное пространство-время, в такойтеор ии не решишь.

В петлевойтеор ии гравитации главные объекты - маленькиеквантовые ячейки пространства, определенным способом соединенные друг с другом. Законом их соединения и их состоянием управляет некоторое поле, которое в них существует. Величина этого поля является для этих ячеек неким « внутренним временем »: переход от слабого поля к более сильному полю выглядит совершенно так, как если бы было некое «прошлое», которое бы влияло на некое «будущее». Закон этот устроен так, что для достаточно большой вселенной с малой концентрациейэнерги и (то есть далеко от сингулярности) ячейки как бы «сплавляются» друг с другом, образуя привычное нам «сплошное» пространство-время.

Авторы статьи утверждают, что всего этого уже достаточно, чтобы решить задачу о том, что происходит со Вселенной при приближении к сингулярности. Решения полученных ими уравнений показали, что при экстремальном «сжатии» вселенной пространство «рассыпается», квантовая геометрия не позволяет уменьшить его объем до нуля, неизбежно происходит остановка и вновь начинается расширение. Эту последовательность состояний можно отследить как вперед, так и назад во «времени», а значит, в этойтеор ии до Большого взрыва с неизбежностью присутствует «Большой хлопок» - коллапс «предыдущей» вселенной. При этом свойства этой предыдущей вселенной не теряются в процессе коллапса, а однозначно передаются в нашу Вселенную.

Описанные вычисления опираются, правда, на некоторые упрощающие предположения о свойствах универсального поля. По-видимому, общие выводы сохранятся и без таких предположений, но это еще нуждается в проверке. Будет крайне интересно проследить за дальнейшим развитием этих идей.