Теорія струн для «чайників»

Теорія струн в наш час у всіх на слуху, це модний тренд в сучасній науці. Але що ж це таке і чому до неї так багато уваги? Давайте спробуємо розібратися.

Для початку треба сказати, що істинного знання в науці немає. Будь-яка теорія – це лише математична модель, що описує реальність з якоюсь певною точністю. Взяти, наприклад, електрон. Є море теорій, завдяки яким можна розрахувати його координати, розміри, масу, заряд: класична, релятивістська, квантова, струнна. У кожної з теорій враховуються певні властивості електрона, але навряд чи абсолютно все. Тому вони видають результат певної точності все по-різному.

Для порівняння наведемо художника, який малює картину. Він може зобразити на полотні основні характерні особливості об’єкта – колір, форму, обсяг, не приділяючи уваги більш тонким деталей типу відблисків, фактури, цяточок. Так само і наукові теорії: в них передається реальність, але через математичні терміни, причому фізичні об’єкти в ній можуть бути схожі на що завгодно – кульки, хвилі, стрілочки, палички. Але це не так важливо, якщо теорія дає точні результати і вірні прогнози.
На даний момент є дві глобальні, дуже точні теорії.

Перша – загальна теорія відносності (ЗТВ), яка пояснює все властивості гравітації і вважає простір гладким. Друга – квантова теорія поля (КТП), яка пояснює поведінку частинок в мікросвіті і вважає простір заповненим безперервними осцилляциями і флуктуаціями (хаотичними коливаннями) полів. Але є проблема. ОТО видає дуже точний результат на великих масштабах, але на мікроскопічному рівні її формули дають безглузді значення. У свою чергу, квантова теорія поля відмінно описує мікросвіт, проте на великих відстанях важко застосовна. Можна сказати, дві ці теорії, застосовані на однаковому масштабі, суперечать один одному.

Але внутрішній голос підказує нам, що світ не може бути влаштований так, що на різних масштабах діють різні формули і принципи. Повинна існувати теорія, яка однаково хороша на всіх масштабах. Це і буде найточніший опис світу, сама детальна картина всесвіту.

Одним з варіантів такої теорії є теорія струн.
суть теорії

Відповідно до цієї теорії, в просторі на дуже малих масштабах (10-35 метра, це на 20 порядків менше протона) виникають польові коливання, стоячі хвилі, які схожі на коливання звичайних струн. Ці коливання несуть в собі енергію, яка відповідає певній масі по знаменитій формулі E = mc² і, відповідно, частці з такою масою. Спектр коливань широкий, тому з нього ми і отримуємо все різноманіття елементарних частинок – електрони, нейтрино, кварки і т. Д.
Ще раз повторимо, це – математична абстракція. Просто вона дуже добре підходить для опису взаємодії частинок, та й самі частинки можна уявити як енергію коливання струн.
Ця теорія добре пояснює, чому у різних частинок саме така маса, чому фізичні константи саме такі. Виявилося, що коливання струн можуть гасити і врівноважувати мікроскопічні квантові флуктуації і приводити в узгодження ОТО і КТП, чого так довго домагалися фізики.

І на момент створення теорії, на початку 70-х років, здавалося, що саме цей підхід може бути універсальним для абсолютно будь-яких масштабів і може стати основою єдиної теорії, що описує наш світ. Але в струнної теорії виявилося багато проблем. Деякі вже вирішені, деякі ще немає.

вирішені проблеми
Тахіон. У першій редакції теорії струн була присутня частка з уявною масою, квадрат якої був від’ємний. Такі частинки можуть рухатися швидше за швидкість світла, що суперечить всім досвідченим спостереженнями і попереднім теоріям. Вирішення цієї проблеми – введення суперсиметрії. Справа в тому, що всі частинки поділяються на ферміони – це частинки речовини, і бозони – це переносники взаємодій. Ферміони як би перекидаються бозонами і таким чином притягуються, відштовхуються – в загальному, взаємодіють. І поки ніяких відповідностей між двома цими класами, не знайдено.
Суперсиметрія проголошує, що у кожного фермиона є родич зі світу бозонів, дуже на нього схожий. Якщо це так, то ніяких тахіон не повинно існувати, і проблема зникає.

До того ж в чотиривимірному світі ця теорія не сходиться з КТП. Адекватно теорія струн виглядає тільки в 11 вимірах. Чому ми не бачимо зайві 7 просторових вимірів? Поки відповідь така: на дуже малих масштабах вони згортаються і замикаються самі в себе, як стрічка Мебіуса, так що в нинішніх експериментах не спостерігаються.

невирішені проблеми
У 2003 році з’ясувалося, що згорнути 11 вимірювань в 4 можна різними способами. Існує 10500 варіантів, як це зробити, і в будь-якому вигляді виходить різна всесвіт, з різними фундаментальними постійними, різними розмірами бургерів, різними конституціями і різними смаками фісташок. Є думка, що тут замішаний антропний принцип: людина існує саме в такому Всесвіті, в якій його існування можливо.

До того ж математичний апарат теорії струн надзвичайно складний. Частенько користуються спрощеними обчисленнями, що, звичайно, точно не підвищує. Для багатьох нових ідей в цій теорії ще не існує математичних методів, тому все доводиться придумувати з нуля.

І одна з найважливіших проблем теорії: поки немає досвідчених доказів, навіть непрямих. Ні суперсиметрія, ні якісь інші слідства теорії струн не підтверджені. Так що багато до неї ставляться скептично, більше як до математики, ніж фізики. Великі надії покладали на Великий адронний коллайдер, однак поки всі серії дослідів не привели до успіху.

Але все ж учені по всій земній кулі продовжують працювати в цьому напрямку, і кожні кілька місяців з’являються нові досягнення, нові відкриття. Дійсно, дуже привабливою здається теорія, яка може пояснити все. І напевно кожен, хто працює над нею, хоче поставити в ній крапку, щоб у людства з’явилася ясна і чітка картина, «як влаштований світ».

Посилання на основну публікацію