квантової механіки

Теорія струн - Теорія всього або нічого

Після завершення загальної теорії відносності Ейнштейн почав працювати над так званою теорією всього. Теорія, яка дозволила б описати як найбільші космічні об'єкти та структури, так і електрони малих розмірів.

Більшість вчених того часу розглядали його зусилля як утопічне бажання старого генія. Тому, коли Ейнштейн помер, довгий час ніхто не продовжував його шляху. Уніфікована теорія повернулася до роботи фізиків-теоретиків лише за останні двадцять років. І найкращим кандидатом на неї є теорія струн.

Вічні вороги

Теорія квантової механіки буквально виходить із здорового глузду. Визначення точного положення частинок замінило визначення ймовірності їх появи в різних місцях. Він описує фотони та атоми (але також деякі молекули) один раз як точки, іноді як хвилі або як обидва одночасно. Однак, незважаючи на всі особливості, його передбачення цілком узгоджуються з експериментальними спостереженнями, і до цих пір немає більш точного опису об'єктів на атомному рівні.

Загальна теорія відносності для змін включає макросвіт - галактики, зірки, Всесвіт в цілому. Це дозволяє вченим зрозуміти гравітацію та всі пов'язані з нею ефекти. Це "класична" теорія в тому сенсі, що вона обходиться без жодних ймовірностей та невизначеностей.

Головною метою сучасної теоретичної фізики є об'єднання цих двох теорій в одну теорію всього. Він використовував би загальну квантово-механічну мову для всіх чотирьох основних сил природи, що дало б змогу описати кожен об'єкт у Всесвіті. 1

Але дотепер усі «об’єднавчі» зусилля фізиків завжди зазнавали краху. Насправді вони завжди виглядали нескінченними у рівняннях теорій надій, що є фізично нісенітницею. Не існує нескінченної ймовірності того, що об’єкт опиниться в заданому місці. Отже, уніфікація квантової механіки із загальною теорією відносності представляє найскладнішу проблему, з якою до цього часу стикалася теоретична фізика.

Що спонукає вчених взагалі спробувати? Мабуть, найкращий приклад - великий вибух. Ранній Всесвіт був настільки надзвичайно щільним, що для його опису потрібна теорія відносності, але в той же час настільки малим, що ми не можемо обійтися без квантової механіки в його описі. Таким чином, об’єднавча теорія могла б відкрити відповіді на деякі найдавніші та найбільш фундаментальні питання людства: походження Всесвіту та фундаментальну природу простору та часу.

В даний час найкращим кандидатом на теорію всього часто вважається М-теорія, яка базується на теорії струн.

Нова відповідь на старе питання

Поняття теорії струн не можна приписувати одній людині. Це було багаторічним зусиллям кількох вчених.

Її основи були закладені італійським фізиком Габріеле Венеціано в 1968 році. Як співробітник ЦЕРНу, він вивчав зіткнення частинок, щоб зрозуміти природу сильної ядерної енергетики. Аналізуючи виміряні дані, він виявив зв'язок між властивостями цієї сили та математичним позначенням, відомим як бета-функція Ейлера. Однак йому не вистачало фізичного уявлення про те, що насправді описує ця математична формула.

Приблизно через два роки міжнародна група вчених на чолі з американським фізиком Леонардом Сасскіндом придумала це. Дослідники показали, що спостережувані результати зіткнень частинок можна пояснити дією невеликого і надзвичайно тонкого волокна, що математично може бути описано бета-функцією. Пізніше волокно назвали струною.

Але ця перша теорія струн була не надто успішною. Точніший аналіз подальших зіткнень частинок показав, що його прогнози не узгоджуються з експериментом.

Незважаючи на очевидні перешкоди, її дослідження почав вивчати фізик-теоретик Джон Генрі Шварц. Він математично модифікував її у форму, яку він назвав теорією суперструн. Це вже дало можливість пояснити нові результати, що спостерігаються в прискорювачах.

У той же час, однак, теорія суперструн передбачала, що зіткнення частинок з високою енергією повинні утворювати дуже незвичайні частинки з нульовою масою і спіном. 2 Оскільки до тих пір їх ніхто не помічав (і насправді до сьогодні), це виглядало як черговий провал теорії струн.

Занепад і подальше воскресіння

Однак Шварц, порівняно з іншими теоріями, виявив, що ці незвичайні частинки можуть бути гравітонами - квантом, за допомогою якого гравітація поширюється. Подібними частинками є, наприклад, світлопропускаючі фотони. Саме гравітон представляв кошмар фізиків-теоретиків. Ніхто не зміг включити його в єдиний квантово-механічний опис решти трьох основних сил, не створивши безглуздих нескінченних рівнянь у рівняннях.

Теорія струн представляла, таким чином, не тільки квантовий опис сильної ядерної сили, але і всіх чотирьох. Це була бажана об’єднавча теорія. Однак навіть це нове відкриття не просто надихнуло наукове співтовариство. Вихідні рівняння Шварца доводилося кілька разів математично модифікувати. Крім того, стало ясно, що правильних результатів можна досягти лише після врахування додаткових шести просторових вимірів. 2 Це було м’яко кажучи дивно, тому що фізики завжди було достатньо, щоб описати світ із трьома просторовими та одним часовим виміром.

Ми не можемо уявити вищих розмірів. Їх можна описати лише математично. Виявляється, всі вони досягають розмірів приблизно на рівні довжини Планка (величина довжини Планка становить приблизно 1,616 × 10 -35 м) і заводяться в складне утворення, яке, за словами його першовідкривачів, називається Калабі - сорт Яу. Ці додаткові виміри існують у кожній точці тривимірного світу, який ми знаємо. Однак через надмірно мініатюрні розміри сучасні наукові інструменти не можуть їх захопити.


Приблизне представництво сорту Калабі - Яу (джерело: суспільне надбання)

Крім того, до середини 90-х років виникли ще чотири послідовні теорії струн, що занадто багато для об'єднуючої теорії. Вчені шукали лише одне "універсальне рівняння".

Однак американський фізик Едвард Віттен виявив, що всі п'ять теорій суперструн насправді є лише приблизними описами однієї так званої М-теорії, яка працює з одинадцятьма вимірами. М означає англійську магію, таємницю або мембрану. Детальний математичний аналіз М-теорії показав, що крім струн на найменшому рівні існують також довільно великі конструкції, які називаються воротами. Вони обмежують рух кінців відкритих струн. (Є два типи струн - відкрита, яка нагадує шматок нитки із вільними кінцями, і закрита. Вони мають обидва кінці, з’єднані.)

Хоча М-теорія є найважливішим кандидатом у теорію всього, вона представляє такі абстрактні ідеї, що багато вчених сумніваються в її правильності і вважають її більше математичною іграшкою. Сама теорія струн також на цьому. Вона також описує такі маленькі об'єкти, що їхні поточні пристрої навіть опосередковано не можуть їх виявити, і сумнівно, чи вдасться це взагалі колись.

Доказ відсутній

З іншого боку, не виключено, що вчені зможуть розкрити принаймні деякі макроскопічні наслідки теорій суперструн. Розрахунки показали, що чим більше енергії містить струна, тим швидше вона коливається. Однак з певного моменту подальше постачання енергією не вплине на метод вібрації, але спричинить збільшення розмірів (продовження) струни, в той час як для її зростання немає межі.

Таким чином, концентруючи достатню кількість енергії в одній точці простору, експериментатори могли б збільшити (розширити) струни в спостережувану форму. Основна перешкода - це знову-таки технічні можливості.

Однак прихильники теорій суперструн стверджують, що довгі струни вже сформувались у надзвичайно гарячому Всесвіті відразу після Великого Вибуху. І хоча їх, ймовірно, сьогодні вже не існує, можливо, вони залишили незначні сліди, які ми могли б виявити в космічному реліктовому випромінюванні. Тож теорія мініатюрних струн може з часом підтвердитись астрономічними спостереженнями.

Інші розрахунки, засновані на М-теорії, навіть передбачають, що струни можуть досягати розмірів близько 10 -18 м навіть за звичайних обставин. Це величина приблизно в сто мільйонів мільярдів разів перевищує спочатку передбачувані розміри, що відповідають довжині Планка. Це приблизно відповідає розміру кварків. 3 Хоча такі розміри можуть здаватися замалими, вчені могли спостерігати ознаки струн такого розміру, наприклад, у прискорювачах частинок протягом декількох десятиліть.

Ми змогли представити вам цю статтю завдяки підтримці Patreone. Символічний внесок також допоможе нам публікувати більше якісних статей.

Примітки
1. До основних природних сил належать сильна і слабка ядерна взаємодія, електромагнетизм і гравітація.
2. Відповідно до теорії струн, властивості частинок виникають в результаті різних способів вібрації струн. Однак три виміри не забезпечували достатньо "простору" для задоволення вібраційних схем, необхідних для отримання всіх спостережуваних властивостей речовини, і в той же час рівняння були математично правильними. Розрахунки показали, що необхідні умови можуть бути дотримані лише в додаткових вимірах, принаймні в десяти.
3. Ці результати можна отримати за умови, що весь наш Всесвіт є тривимірними воротами.