Теория струн

Вся Вселенная зиждется на четырех видах взаимодействий: гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом. Но существует ли универсальная формула, описывающая единство этих взаимодействий? Над этой проблемой до сих пор ломают голову физики-теоретики разных стран.

Эйнштейновская теория относительности описывает гравитацию — самую известную силу Вселенной. Квантовая механика описывает три другие силы: сильное ядерное взаимодействие, склеивающее протоны и нейтроны в атомах, электромагнетизм и слабое взаимодействие, которое участвует в радиоактивном распаде. Любое событие в мироздании описывается взаимодействиями материи посредством этих четырех сил.

Теория всего

Ученые с помощью математического аппарата доказали, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют общую природу, объединив их в электрослабое. Немного позднее к ним добавилось и сильное ядерное взаимодействие. Гравитация в общую картину этих взаимодействий не вписывается никак.

Попытка объединить все виды взаимодействий в единую теорию и тем самым объяснить все явления во Вселенной получила название теории струн, которую еще называют Теорией Всего.

А все началось в конце 1960-х годов, когда молодой итальянский физик-теоретик Габриеле Венециано искал уравнения, которые смогли бы объяснить сильные ядерные взаимодействия — тот «суперклей», который скрепляет ядра атомов, связывая воедино протоны и нейтроны. Легенда утверждает, что 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 не чем иным, как математической казуистикой, как раз и описывает это сильное взаимодействие! Но скорее всего, уравнение стало результатом долгих лет работы Венециано, а случай лишь помог сделать первый шаг к теории струн.

Работы Венециано в конце концов попались на глаза молодому американскому физику-теоретику Леонарду Сасскинду, который увидел, что в первую очередь формула описывает частицы, которые не имеют внутренней структуры и могут вибрировать, — словом, эти частицы ведут себя так, что не могут быть просто точечными частицами. Сасскинд понял: формула описывает нить, подобную упругой резинке. Она может не только растягиваться и сжиматься, но и колебаться, извиваться. Описав свое открытие, Сасскинд представил миру революционную идею струн.

Теория струн — направление теоретической физики, изучающее динамику взаимодействия не точечных частиц, а одномерных протяженных объектов, так называемых квантовых струн.

Космический оркестр

Теория струн позволяет представить элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами. Микрочастицы — это объединения тончайших одномерных струн, имеющих вид точечных микрочастиц. Все свойства элементарных частиц объясняются резонансным колебанием волокон, их образующих.

Представьте себе струны музыкальных инструментов, которые могут вибрировать, изгибаться, сворачиваться. Аналогичный процесс происходит и с этими струнами-нитями, которые, издавая определенные вибрации, взаимодействуют друг с другом, сворачиваются в петли и образуют более крупные частицы, масса которых зависит от частоты вибрации волокон и их натянутости. Чем больше излучаемая энергия, тем выше масса элементарной частицы.

Согласно гипотезе, Вселенная возникла благодаря расширению микропространства размером в струну, соответствующую постоянной Планка. По мере увеличения этой области растягивались и ультрамикроскопические струны — теперь их длина соизмерима с размерами Вселенной. Но они точно так же взаимодействуют между собой и производят те же вибрации и колебания. Продольные колебания порождают гравитационное излучение.

В середине 1980-х годов теория струн, несмотря на путаницу, приобрела относительно стройный вид. Всего за несколько лет возникло целых пять версий теории струн, объединенных, невзирая на значительные различия, в общую теорию суперструн.

Тем не менее, из-за наличия множества проблем в этой теории ее поддерживают далеко не все ученые.

Одной из проблем считается математическая несостоятельность теории — физикам, изучающим ее, не хватает формул для приведения ее в завершенный вид. Вторая заключается в том, что данная теория предполагает существование десяти измерений, но мы можем ощущать всего четыре — высоту, ширину, длину и время. Ученые предполагают, что остальные шесть находятся в скрученном состоянии, их наличие не ощущается в реальном времени. Также проблемой является невозможность экспериментального подтверждения этой теории. Но и опровергнуть ее никто не может, поскольку ни один инструмент в мире, ни существующий, ни способный появиться в перспективе, не способен «увидеть» эти самые струны. На сегодня остается открытым вопрос: теория струн — это физическая или философская теория?

Все же некоторые ученые считают, что существует минимальная возможность проверить гипотезу о дополнительных измерениях на следующем поколении ускорителей, но произойти это может еще очень нескоро — как минимум через десятилетия, как максимум — через сотню лет. Пока же вопросов значительно больше, чем ученые могут дать ответов...

«Приветствуем вас в павильоне смеха — в сумасшедшем, ненормальном, на голове стоящем мире квантовой механики, где правит неопределенность и ничто порождает осмысленные ощущения» (Леонард Сасскинд)