Струны: «теория всего»

0

Самая популярная научная теория нашего времени — струны — подразумевает существование гораздо большего количества измерений, чем мы можем представить.

 

Самая большая проблема теоретических физиков — как объединить все фундаментальные взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное) в единую теорию. Теория суперструн как раз претендует на роль таковой. В результате исследований оказалось, что самое удобное количество измерений, необходимое для работы этой теории — целых 10 (девять из которых — пространственные, и одно — временное)! Правда, это не предел – выделяют и 11, и 12 измерений!

 

Почему же мы можем перемещаться только в трёхмерном пространстве? Учёные объясняют это тем, что остальным измерениям пришлось сжаться в компактные сферы на квантовом уровне. Если быть точными, то не в сферы, а в пространства Калаби-Яу. Это такие трёхмерные фигурки, внутри которых свой собственный мир с собственной размерностью. Таких фигурок известно более 470 млн. Которая из них соответствует нашей действительности, в данный момент вычисляется.

 

Свернутые объекты вокруг нас

 

Размышлять о теории струн начали в конце 1960-х гг. В 1968 г. физик-теоретик Габриэле Венециано корпел над осмыслением многочисленных характеристик сильного ядерного взаимодействия. К своему удивлению он понял, что экзотическая математическая формула, придуманная примерно за 200 лет до этого швейцарским математиком Леонардом Эйлером – так называемая бета-функция Эйлера, – похоже, способна описать все многочисленные свойства частиц, участвующих в сильном ядерном взаимодействии. При этом никто не понимал, почему эта формула работает. Это объяснили в 1970 г Йохиро Намбу из Чикагского университета, Хольгер Нильсен из института Нильса Бора и Леонард Сасскинд из Стэндфордского университета. К сожалению, дальнейшие исследования показали, что описание сильного взаимодействия с помощью струн содержит изъяны. В начале 1970-х гг. специалисты по физике высоких энергий смогли глубже заглянуть в субатомный мир и доказали, что ряд предсказаний модели, основанной на использовании струн, находится в прямом противоречии с результатами наблюдений. В то же время параллельно шло развитие квантово-полевой теории – квантовой хромодинамики, – в которой использовалась точечная модель частиц. Успехи этой теории в описании сильного взаимодействия привели к отказу от теории струн.

 

Большинство специалистов по физике элементарных частиц полагали, что эта теория навсегда отправлена в мусорный ящик, однако ряд исследователей сохранили ей верность. В 1974 г. Шварц и Джоэль Шерк из французской Высшей технической школы сделали смелое предположение. Они изучали странные колебания струн, свойства которых удивительно точно совпадают с предполагаемыми свойствами гипотетической частицы-переносчика гравитационного взаимодействия – гравитона. Хотя эти частицы до сих пор так и не удалось обнаружить, теоретики могут уверенно предсказать некоторые фундаментальные свойства, которыми они должны обладать. Шерк и Шварц предположили, что начальное формирование теории струн закончилось неудачей из-за того, что физики чрезмерно сузили область ее применения. Они объявили, что теория струн – это не просто теория сильного взаимодействия, это квантовая теория, которая, помимо всего прочего, включает гравитацию.

 

В 1984 г. Грин и Шварц установили, что незначительное противоречие с квантовой теорией, которым страдала теория струн, может быть разрешено. Более того, они показали, что полученная в результате теория обладает достаточной широтой, чтобы охватить все четыре вида взаимодействий и все виды материи. Если верить учёным, мы сами и всё вокруг нас состоит из бесконечного множества загадочных свернутых микрообъектов. С 1984 по 1986 гг. физики написали работы, которые продемонстрировали, что стандартные модели мироустройства естественным образом вытекают из величественной теории струн.

 

Однако описать ее не так-то просто. Даже сам вывод уравнений оказался столь сложным, что до сих пор удалось получить лишь их приближенный вид, не говоря уже об их решении.

 

Сколько всего измерений?

 

А теперь хоть немного попробуем понять суть этой теории. Нулевое измерение — это точка. У неё нет размеров. Поставим рядом с первой точкой вторую и проведём через них линию. Вот вам и первое измерение. У одномерного объекта есть только длина. Поставим рядом с отрезком точку. Чтобы уместить оба объекта, нам потребуется уже двухмерное пространство, обладающее длиной и шириной, но в нем не будет объёма. Третье измерение возникает, когда мы добавляем к этой система третью ось координат. Но мы, обитатели трёхмерного мира, видим всё двухмерным. Только перемещение предмета в пространстве позволяет нам почувствовать его объём. Любой многомерный объект мы увидим также двухмерным, но он будет удивительным образом меняться в зависимости от нашего с ним взаиморасположения или времени.

 

Время добавляет к нашей Вселенной ещё одну координату. Исходя из нашего восприятия, время — это не столько прямая, сколько луч, движение которого осуществляется только в одном направлении — из прошлого в будущее. При этом реально для нас только настоящее. Но теория относительности с этим не согласна. С её точки зрения, время — это полноценное измерение. Все события, которые существовали, существуют и будут существовать, одинаково реальны. Физики предполагают, что время существует не в одном измерении. Американский астрофизик Ицхак Барс корнем всех бед с «Теорией всего» видит как раз упущенное из виду второе временное измерение. Попробуем представить себе мир с двумя временами. Точное время в такой вселенной будет определяться двумя значениями. Двухмерное событие протяжённо одновременно по двум временным осям. Что ещё отличает двухмерное пространство от одномерного? Возможность обходить препятствие, например. Кроме того, в двухмерном пространстве можно путешествовать вперёд, назад, да хоть по диагонали.

 

Другие измерения ещё не открыты, и существуют только в математических моделях. Но можно попробовать представить их. Любители историй о перемещении во времени знают, какую важную роль в них играет искривление пространственно-временного континуума. Вот это и есть пятое измерение — именно в нём «сгибается» четырёхмерное пространство-время, чтобы сблизить две какие-то точки на этой прямой. Без этого путешествие между этими точками было бы слишком длительным или вообще невозможным. Как быстрее всего перескочить из одного отрезка на другой? Согнуть эту плоскость, как лист бумаги. Куда согнуть? И снова правильно — в шестом измерении, которое придаёт всей этой сложной структуре «объём». И, таким образом, делает её, подобно трёхмерному пространству, «законченной», новой точкой.

 

Седьмое измерение — это новая прямая, которая состоит из шестимерных «точек». Что представляет собой какая-либо другая точка на этой прямой? Весь бесконечный набор вариантов развития событий в другой вселенной, образованной не в результате Большого Взрыва, а в других условиях, и действующей по другим законам. Восьмое измерение собирает эти «прямые» в одну «плоскость». А девятое можно сравнить с книгой, которая уместила в себя все «листы» восьмого измерения. Наконец, в десятом измерении совершают свои колебания струны — базовые частицы, из которых состоит всё. Если десятое измерение содержит в себе все вселенные и все возможности, то струны существуют везде и всё время. То есть, каждая струна существует и в нашей вселенной, и любой другой. В любой момент времени.

По материалам Masterok.livejournal.co

Поделиться.

Комментарии закрыты