Теория космических струн. Коротко о теории струн

Теория суперструн, популярным языком, представляет вселенную как совокупность вибрирующих нитей энергии - струн. Они являются основой природы. Гипотеза описывает и другие элементы - браны. Все вещества в нашем мире состоят из колебаний струн и бран. Естественным следствием теории является описание гравитации. Именно поэтому ученые считают, что в ней содержится ключ к объединению силы тяжести с другими взаимодействиями.

Концепция развивается

Теория единого поля, теория суперструн, - сугубо математическая. Как и все физические концепции, она основана на уравнениях, которые могут быть определенным образом интерпретированы.

Сегодня никто не знает точно, каким будет окончательный вариант этой теории. Ученые имеют довольно смутное представление об ее общих элементах, но никто еще не придумал окончательного уравнения, охватившего бы все теории суперструн, а экспериментально до сих пор не удалось ее подтвердить (хотя и опровергнуть тоже). Физики создали упрощенные версии уравнения, но пока что оно не вполне описывает нашу вселенную.

Теория суперструн для начинающих

В основе гипотезы положены пять ключевых идей.

Теория суперструн предсказывает, что все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии.
Она пытается совместить общую теорию относительности (гравитации) с квантовой физикой.
Теория суперструн позволит объединить все фундаментальные силы вселенной.
Эта гипотеза предсказывает новую связь, суперсимметрию, между двумя принципиально различными типами частиц, бозонами и фермионами.
Концепция описывает ряд дополнительных, обычно ненаблюдаемых измерений Вселенной.

Струны и браны

Когда теория возникла в 1970 годы, нити энергии в ней считались 1-мерными объектами - струнами. Слово «одномерный» говорит о том, что струна имеет только 1 измерение, длину, в отличие от, например, квадрата, который имеет длину и высоту.

Эти суперструны теория делит на два вида - замкнутые и открытые. Открытая струна имеет концы, которые не соприкасаются друг с другом, в то время как замкнутая струна является петлей без открытых концов. В итоге было установлено, что эти струны, называемые струнами первого типа, подвержены 5 основным типам взаимодействий.

Взаимодействия основаны на способности струны соединять и разделять свои концы. Поскольку концы открытых струн могут объединиться, чтобы образовывать замкнутые, нельзя построить теорию суперструн, не включающую закольцованные струны.

Это оказалось важным, так как замкнутые струны обладают свойствами, как полагают физики, которые могли бы описать гравитацию. Другими словами, ученые поняли, что теория суперструн вместо объяснения частиц материи может описывать их поведение и силу тяжести.

Через многие годы было обнаружено, что, кроме струн, теории необходимы и другие элементы. Их можно рассматривать как листы, или браны. Струны могут крепиться к их одной или обеим сторонам.

Квантовая гравитация

Современная физика имеет два основных научных закона: общую теорию относительности (ОТО) и квантовую. Они представляют совершенно разные области науки. Квантовая физика изучает мельчайшие природные частицы, а ОТО, как правило, описывает природу в масштабах планет, галактик и вселенной в целом. Гипотезы, которые пытаются объединить их, называются теориями квантовой гравитации. Наиболее перспективной из них сегодня является струнная.

Замкнутые нити соответствуют поведению силы тяжести. В частности, они обладают свойствами гравитона, частицы, переносящей гравитацию между объектами.

Объединение сил

Теория струн пытается объединить четыре силы - электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию - в одну. В нашем мире они проявляют себя как четыре различные явления, но струнные теоретики считают, что в ранней Вселенной, когда были невероятно высокие уровни энергии, все эти силы описываются струнами, взаимодействующими друг с другом.

Суперсимметрия

Все частицы во вселенной можно разделить на два типа: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между ними существует связь, называемая суперсимметрией. При суперсимметрии для каждого бозона должен существовать фермион и для каждого фермиона - бозон. К сожалению, экспериментально существование таких частиц не подтверждено.

Суперсимметрия является математической зависимостью между элементами физических уравнений. Она была обнаружена в другой области физики, а ее применение привело к переименованию в теорию суперсимметричных струн (или теория суперструн, популярным языком) в середине 1970 годов.

Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. Без суперсимметрии уравнения приводят к физическим противоречиям, таким как бесконечные значения и воображаемые

Поскольку ученые не наблюдали частицы, предсказанные суперсимметрией, она все еще является гипотезой. Многие физики считают, что причина этого - необходимость в значительном количестве энергии, которая связана с массой известным уравнением Эйнштейна E = mc 2 . Эти частицы могли существовать в ранней вселенной, но так как она остыла, и после Большого взрыва энергия распространилась, эти частицы перешли на низкоэнергетические уровни.

Другими словами, струны, вибрировавшие как высокоэнергетические частицы, утратили энергию, что превратило их в элементы с более низкой вибрацией.

Ученые надеются, что астрономические наблюдения или эксперименты с ускорителями частиц подтвердят теорию, выявив некоторые из суперсимметричных элементов с более высокой энергией.

Дополнительные измерения

Другим математическим следствием теории струн является то, что она имеет смысл в мире, число измерений которого больше трех. В настоящее время этому существует два объяснения:

Дополнительные измерения (шесть из них) свернулись, или, в терминологии теории струн, компактифицировались до невероятно малых размеров, воспринять которые никогда не удастся.
Мы застряли в 3-мерной бране, а другие измерения простираются вне ее и для нас недоступны.

Важным направлением исследований среди теоретиков является математическое моделирование того, как эти дополнительные координаты могут быть связаны с нашими. Последние результаты предсказывают, что ученые в скором времени смогут обнаружить эти дополнительные измерения (если они существуют) в предстоящих экспериментах, так как они могут быть больше, чем ожидалось ранее.

Понимание цели

Цель, к которой стремятся ученые, исследуя суперструны - «теория всего», т. е. единая физическая гипотеза, которая на фундаментальном уровне описывает всю физическую реальность. В случае успеха она могла бы прояснить многие вопросы строения нашей вселенной.

Объяснение материи и массы

Одна из основных задач современных исследований - поиск решения для реальных частиц.

Теория струн начиналась как концепция, описывающая такие частицы, как адроны, различными высшими колебательными состояниями струны. В большинстве современных формулировок, материя, наблюдаемая в нашей вселенной, является результатом колебаний струн и бран с наименьшей энергией. Вибрации с большей порождают высокоэнергичные частицы, которые в настоящее время в нашем мире не существуют.

Масса этих является проявлением того, как струны и браны завернуты в компактифицированных дополнительных измерениях. Например, в упрощенном случае, когда они свернуты в форме бублика, называемом математиками и физиками тором, струна может обернуть эту форму двумя способами:

короткая петля через середину тора;
длинная петля вокруг всей внешней окружности тора.

Короткая петля будет легкой частицей, а большая - тяжелой. При оборачивании струн вокруг торообразных компактифицированных измерений образуются новые элементы с различными массами.

Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Свернутые измерения здесь гораздо сложнее тора, но в принципе они работают также.

Возможно даже, хотя это трудно представить, что струна оборачивает тор в двух направлениях одновременно, результатом чего будет другая частица с другой массой. Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей.

Определение пространства и времени

Во многих версиях теория суперструн измерения сворачивает, делая их ненаблюдаемыми на современном уровне развития технологии.

В настоящее время не ясно, сможет ли теория струн объяснить фундаментальную природу пространства и времени больше, чем это сделал Эйнштейн. В ней измерения являются фоном для взаимодействия струн и самостоятельного реального смысла не имеют.

Предлагались объяснения, до конца не доработанные, касавшиеся представления пространства-времени как производного общей суммы всех струнных взаимодействий.

Такой подход не отвечает представлениям некоторых физиков, что привело к критике гипотезы. Конкурентная теория в качестве отправной точки использует квантование пространства и времени. Некоторые считают, что в конечном итоге она окажется лишь другим подходом ко все той же базовой гипотезе.

Квантование силы тяжести

Главным достижением данной гипотезы, если она подтвердится, будет квантовая теория гравитации. Текущее описание в ОТО не согласуется с квантовой физикой. Последняя, накладывая ограничения на поведение небольших частиц, при попытке исследовать Вселенную в крайне малых масштабах ведет к возникновению противоречий.

Унификация сил

В настоящее время физикам известны четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнитная, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Из теории струн следует, что все они когда-то являлись проявлениями одной.

Согласно этой гипотезе, так как ранняя вселенная остыла после большого взрыва, это единое взаимодействие стало распадаться на разные, действующие сегодня.

Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединение этих сил, хотя такие опыты находятся далеко за пределами текущего развития технологии.

Пять вариантов

После суперструнной революции 1984 г., разработки велись с лихорадочной быстротой. В итоге вместо одной концепции получилось пять, названных тип I, IIA, IIB, HO, HE, каждая из которых почти полностью описывала наш мир, но не до конца.

Физики, перебирая версии теории струн в надежде найти универсальную истинную формулу, создали 5 разных самодостаточных варианта. Какие-то их свойства отражали физическую реальность мира, другие не соответствовали действительности.

М-теория

На конференции в 1995 году физик Эдвард Виттен предложил смелое решение проблемы пяти гипотез. Основываясь на недавно обнаруженой дуальности, все они стали частными случаями единой всеобъемлющей концепции, названной Виттеном М-теория суперструн. Одним из ключевых ее понятий стали браны (сокращение от мембраны), фундаментальные объекты, обладающие более чем 1 измерением. Хотя автор не предложил полную версию, которой нет до сих пор, М-теория суперструн кратко состоит из таких черт:

11-мерность (10 пространственных плюс 1 временное измерение);
двойственности, которые приводят к пяти теориям, объясняющих ту же физическую реальность;
браны - струны, с более чем 1 измерением.

Следствия

В результате вместо одного возникло 10 500 решений. Для некоторых физиков это стало причиной кризиса, другие же приняли антропный принцип, объясняющий свойства вселенной нашим присутствием в ней. Остается ожидать, когда теоретики найдут другой способ ориентирования в теории суперструн.

Некоторые интерпретации говорят о том, что наш мир не единственный. Наиболее радикальные версии позволяют существование бесконечного числа вселенных, некоторые из которых содержат точные копии нашей.

Теория Эйнштейна предсказывает существование свернутого пространства, которое называют червоточиной или мостом Эйнштейна-Розена. В этом случае два отдаленных участка связаны коротким проходом. Теория суперструн позволяет не только это, но и соединение отдаленных точек параллельных миров. Возможен даже переход между вселенными с разными законами физики. Однако вероятен вариант, когда квантовая теория гравитации сделает их существование невозможным.

Многие физики считают, что голографический принцип, когда вся информация, содержащаяся в объеме пространства, соответствует информации, записанной на его поверхности, позволит глубже понять концепцию энергетических нитей.

Некоторые полагают, что теория суперструн позволяет множественность измерений времени, следствием чего может быть путешествие через них.

Кроме того, в рамках гипотезы существует альтернатива модели большого взрыва, согласно которой наша вселенная появилась в результате столкновения двух бран и проходит через повторяющиеся циклы создания и разрушения.

Конечная судьба мироздания всегда занимала физиков, и окончательная версия теории струн поможет определить плотность материи и космологическую константу. Зная эти значения, космологи смогут установить, будет ли вселенная сжиматься до тех пор, пока не взорвется, чтобы все началось снова.

Никто не знает, к чему может привести пока она не будет разработана и проверена. Эйнштейн, записав уравнение E=mc 2 , не предполагал, что оно приведет к появлению ядерного оружия. Создатели квантовой физики не знали, что она станет основой для создания лазера и транзистора. И хотя сейчас еще не известно, к чему приведет такая сугубо теоретическая концепция, история свидетельствует о том, что наверняка получится что-то выдающееся.

Подробнее об этой гипотезе можно прочесть в книге Эндрю Циммермана «Теория суперструн для чайников».

Всесторонне изучая нашу вселенную, ученые определяют ряд закономерностей, фактов, которые впоследствии становятся законами, доказанными гипотезами. На основе них продолжаются другие исследования способствующие всестороннему изучению мира в цифрах.

Теория струн вселенной – способ представления пространства вселенной, состоящей из неких нитей, которые и называют струнами и бранами. Говоря проще (для чайников), основой мира являются не частицы(как мы знаем), а вибрирующие энергетические элементы называемые струнами и бранами. Размер струны очень и очень мал - примерно 10 -33 см.

Для чего это надо и пригодилось ли? Теория послужила толчком описанию понятия «гравитация».

Теория струн математическая, то есть физическая природа описана уравнениями. Их много, но единого и верного нет. Экспериментально скрытые измерения вселенной еще не удалось определить.

В основу теории положено 5 концепций:

Мир состоит из нитей, находящихся в вибрирующем состоянии и энергетических мембран.
В теории основой является теорию гравитации и квантовой физики.
Теория объединяет все основные силы вселенной.
Частицы бозоны и фермионы имеют новый вид связи – суперсимметрию.
Теория описывает ненаблюдаемые человеческим глазом измерения во Вселенной.

Лучше понять теорию струн поможет сравнение с гитарой

Впервые о данной теории мир услышал в семидесятых годах ХХ века. Имена ученых в развитии данной гипотезы:

Виттен;
Венециано;
Грин;
Гросс;
Каку;
Малдасена;
Поляков;
Сасскинд;
Шварц.

Энергетические нити считали одномерными — струнами. Это значит, что у струны есть 1 измерение — длина (высоты нет). Различают 2 вида:

открытые, в которых концы не прикасаются друг к другу;
замкнутые — петля.

Было установлено, что они могут взаимодействовать и таких вариантов 5. В основе этого лежит возможность соединять, разъединять концы. Невозможно отсутствие кольцевых струн, по причине возможности объединения открытых струн.

Вследствие этого, ученые полагают, что теория способна описать не объединение частиц, а поведение, силу тяжести. Браны или листы рассматривают как элементы, к которым крепятся струны.

Вас заинтересует

Квантовая гравитация

В физике существует квантовый закон и общая теория относительности. Квантовая физика изучает частицы в масштабах вселенной. Гипотезы в ней называются теориями квантовой гравитации среди наиболее важных считают струнную.

Замкнутые нити в ней работают соответственно силам тяжести, обладая свойствами гравитона — частица, которая переносит свойства между частицами.

Объединение сил . Теория включает объединенные силы в одну – электромагнитную, ядерную, гравитационную. Ученые считают, что именно так было раньше, до того как силы разделили.

Суперсимметрия . Согласно понятию суперсимметрии, между бозонами и фермионами (структурными единицами вселенной) есть связь. Для каждого из бозонов существует фермион, верно и обратное: для фермиона есть бозон. Рассчитано это на основе уравнений, но не подтверждено экспериментально. Плюсом суперсимметрии является возможность исключения некоторых переменных (бесконечных, мнимых энергетических уровней).

По мнению физиков, причиной отсутствия возможности доказать суперсимметрию является причина необходимости большой энергии, связанной с массой. Она была раньше, до периода снижения температуры во вселенной. После Большого взрыва произошло рассеивание энергии и переход частиц на более низкие энергетические уровни.

Говоря проще, струны, которые могли вибрировать со свойствами частиц с большой энергией, утратив ее, стали низко вибрационными.

Создавая ускорители частиц, ученые хотят определить супер симметричные элементы с необходимым энергетическим уровнем.

Дополнительные измерения теории струн

Следствием теории струн является математическое представление, согласно которому должно быть больше 3 измерений. Первое объяснение этого – дополнительные измерения стали компактными, маленькими вследствие чего их нельзя увидеть, воспринять.

Мы существуем в трехмерной бране, став отрезанными от других измерений. Только возможность использовать математическое моделирование дала надежду на получение координат, которые бы связали их. Последние исследования в этой области дают возможность предполагать появление новых оптимистических данных.

Простое понимание цели

Ученые всего мира, исследуя супер струны, стараются обосновать теорию относительно всей физической реальности. Единая гипотеза могла бы все характеризовать на фундаментальном уровне, объяснив вопросы устройства планеты.

Теория струн появилась при описании адронов, частиц с высшими колебательными состояниями струны. Если говорить коротко, то она легко поясняет переход длины в массу.

Теорий суперструн много. Сегодня не известно достоверно, возможно ли с помощью нее объяснить теорию пространства времени точнее Эйнштейна. Проведенные измерения точных данных не дают. Одни из них, касающиеся пространства времени, являлись следствием взаимодействий струн, но в конечном счете были подвержены критике.

Теория гравитации станет основным следствием описываемой теории в случае ее подтверждения.

Струны и браны стали толчком к появлению более 10 тысяч вариантов суждений о вселенной. Книги по теории струн есть в общем доступе в интернете, подробно и понятно описывается авторами:

Яу Шинтан;
Стив Надис «Теория струн и скрытые измерения Вселенной»;
Говорится об этом и у Брайана Грина в «Элегантной Вселенной».

Мнения, доказательства, рассуждения и все мельчайшие подробности можно узнать, заглянув в одну из многих книг, которые доступно и интересно дают понять информацию о мире. Физики объясняют существующую вселенную нашим нахождением, существованием других вселенных (даже аналогичных нашей). По Эйнштейну, есть свернутый вариант пространства.

В теории суперструн могут соединяться точки параллельных миров. Установленные законы в физике дают надежду на возможность перехода среди вселенных. Одновременно с этим, квантовая теория гравитации нивелирует это.

Физики говорят и о голографической фиксации данных, когда они записываются на поверхности. Это в будущем даст толчок к пониманию суждения об энергетических нитях. Есть суждения о множественности измерений времени и возможности перемещении в нем. Гипотеза большого взрыва по причине столкновения 2 бран говорит о возможности повторения циклов.

Мироздание, появление всего и постепенное преобразование всего всегда занимало выдающиеся умы человечества. Новые открытия были, есть и будут. Конечная трактовка теории струн даст возможность определить плотность материи, космологическую постоянную.

Благодаря этому, определят способность вселенной сжиматься до последующего момента взрыва и нового начала всего. Теории разрабатывают, доказывают и они к чему-то приводят. Так, уравнение Эйнштейна, описывающее зависимость энергии от массы и квадрата скорости света E=mc^2 впоследствии стало толчком к появлению ядерного оружия. После этого изобрели и лазер, транзистор. Сегодня неизвестно чего ждать, но к чему-то это непременно приведет.

Теория относительности представляет Вселенную «плоской», но квантовая механика утверждает, что на микроуровне происходит бесконечное движение, искривляющее пространство. Теория струн объединяет эти идеи и представляет микрочастицы как следствие объединения тончайших одномерных струн, которые будут иметь вид точечных микрочастиц, следовательно, не могут наблюдаться экспериментально.

Данная гипотеза позволяет представить элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами.

Все свойства элементарных частиц объясняются резонансным колебанием волокон, их образующих. Эти волокна могут совершать бесконечное множество вариантов вибраций. Данная теория предполагает объединение идей квантовой механики и теории относительности. Но из-за наличия множества проблем в подтверждении мыслей заложенных в ее основе большая часть современных ученых считают, что предложенные идеи не более чем самая обыкновенная профанация или другими словами — теория струн для чайников, то есть для людей, которые совершенно не разбираются в науке и строении окружающего мира.

Свойства ультрамикроскопических волокон

Чтобы понять их суть, можно представить струны музыкальных инструментов – они могут вибрировать, изгибаться, сворачиваться. Тоже происходит и с этими нитями, которые издавая определенные вибрации, взаимодействуют друг с другом, сворачиваются в петли и образуют более крупные частицы (электроны, кварки), масса которых зависит от частоты вибрации волокон и их натянутости – эти показатели определяют энергию струн. Чем больше излучаемая энергия, тем выше масса элементарной частицы.

Инфляционная теория и струны

Согласно инфляционной гипотезе, Вселенная была создана благодаря расширению микро пространства, размером в струну (длина Планка). По мере увеличения этой области растягивались и так называемые ультрамикроскопические волокна, теперь их длина соизмерима с размерами Вселенной. Они точно так же взаимодействуют между собой и производят те же вибрации и колебания. Выглядит это как производимый ими эффект гравитационных линз, искажающих лучи света дальних галактик. А продольные колебания порождают гравитационное излучение.

Математическая несостоятельность и другие проблемы

Одной из проблем считается математическая несостоятельность теории — физикам, изучающим ее, не хватает формул для приведения ее в завершенный вид. А вторая заключается в том, что данная теория полагает, о существовании 10 измерений, но мы ощущаем всего 4 – высота, ширина, длина и время. Ученые предполагают, что остальные 6 — в скрученном состоянии, наличие которых не ощущается в реальном времени. Также проблемой является не возможность экспериментального подтверждения этой теории, но и опровергнуть ее никто не может.

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)

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:

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