alice9tails

Предупреждение особо любопытным: в этом посте о петлевой квантовой гравитации рассказано не будет! Да, вот так вот, ждите следующего. Почему? А потому, что сначала надо рассказать кто виноват и что делать зачем и кому всё это было нужно.

Для начала несколько слов о том, как и почему физики решились прикопаться к самым мелким объектам вселенной.

Думается, все хоть раз в детстве интересовались, из чего состоит та или иная игрушка. Разбирали машинки, откручивали головы пупсам, доставали из них пищалки (а кто помладше – электронную начинку с батарейкой)… или, например, в попытках выяснения внутреннего устройства кота порывались сделать ему проктологическое извлечение мурчала.

С учёными всё примерно также, только движет ими не банальное любопытство, а вполне серьёзное стремление к истине, подкрепляемое возможными её практическими применениями. Да-да, большинство научных открытий, которые считаются исключительно фундаментальными, запутанными и непонятно-зачем-нужными, действительно имеют как предпосылки, так и уже реализованное применение, например в ваших ЖК-мониторах. Но это всё лирика, ибо настоящие суровые нерды от науки задумываются о практике в последнюю очередь (но всё-таки задумываются), первым делом занимаясь углублённым копанием в жутком матане и ставя православные мозгодробящие эксперименты на не менее мозгодробящем по сложности оборудовании.

Стремление к истине штука интересная. Оно заставляет выводить математические законы и модели, которые должны успешно описывать наблюдаемые явления и прогнозировать новые. Некоторые законы оказываются довольно просты, другие сложны, а третьи, при своей простоте, таят туеву кучку нестыковок, которые бьют учёных по щам лещами, после чего смотрят на этих умников как на говно заставляют работать дальше.

В качестве примера могу привести одну забавную нестыковочку между электродинамикой и моделью элементарных частиц, которая (не в одиночку) заставила матанутых на всю голову браться за карандаши и придумывать, придумывать, придумывать…из его же состоит электрон.

А дело было так. В 1927 году некто Гейзенберг (нет, не еврей) сформулировал принцип, согласно которому у любой частицы нельзя одновременно с высокой точностью узнать импульс движения (скорость, ускорение, вращение) и текущее положение. Либо то, либо то. Либо мы знаем, где находится электрон, либо знаем, куда и как он движется. Причём непонятно было в чём именно стоит ограничение: в том, что это мы не можем наблюдать сразу обе характеристики или же сам электрон по природе своей недостаточно «чёткий» пацан.

Дальнейшие исследования показали, что да, действительно, локализовать положение электрона в пространстве можно. Но тогда непонятно где и в каком состоянии он окажется в следующий момент. И наоборот: узнаем как быстро и в какую сторону, но не понятно, где именно эта сволочь шляется. Дополнительная фигня была в том, что принцип распространялся не только на положение и движение, а ещё и на другие парные характеристики, типа электрической и магнитной напряжённостей.

Тем не менее, принцип хоть и ограничивал, но допускал возможность выяснения того «как выглядит» электрон, по крайней мере, в процессе столкновения с другими частицами. Чем и воспользовались. Оказалось, что свободный электрон похож на упругую точку в пространстве. Не шарик, не кирпичик и не бублик, а именно точку. Результат попробовали повторить с другими частицами, получилась та же фигня.

Вся хреновость ситуации состояла в том, что электрон (да хоть и тот же протон) имел вполне конкретный электрический заряд. А это означало, что он просто не мог быть точкой: если посмотреть на формулу энергии электрического поля для шара, то она обратнопропорциональна радиусу шара. То есть значение энергии поля для электрона-точки становилось бесконечным, а, следовательно, бесконечной должна была быть и масса электрона. Чего, мягко скажем, не наблюдалось.

«Значит электрон – не точка!» воскликнули учёные и стали усиленно творить матан. Дополнительным стимулом на тот момент стало то, что количество обнаруженных видов «элементарных» частиц настолько увеличилось (перевалило за несколько десятков), что народ криво посмеивался и откровенно спрашивал «а в самом ли деле они все такие элементарные?». Лямбда и омега и прочие гипероны, нейтрино, фи- и ро- мезоны, каоны с пионами (нет, не цветы)… новая нечисть лезла из ускорителей страшными темпами, принуждая физиков браться за дробовики радоваться открытиям и одновременно грустить по поводу сложности мира.

В конце концов, ведущие умы продали одну-две души кому-то там, но выбили финансирование на ещё более мощные ускорители, дабы заценить внутренности уже нихрена не элементарных частиц. Теория к тому времени ещё не сказать, чтобы существовала в оформленном виде, но кое-какая кварковая модель уже была. Так вот, более сильные ускорители и более сильные соударения показали класс частиц (адроны), которые действительно укладывались в начальную кварковую модель, но, к сожалению, кварковая модель не укладывалась в них. Адронов было больше, чем предсказано!

«Это ничего» - успокаивающе гладили по голове друг друга физики «допилим модель и всё будет путём». Модель, кстати, допилили. Но тут вопросы появились уже к ней, ибо кварки могли «превращаться» один в другой в результате разных взаимодействий, причём строго определёнными путями. И при этом, заразы такие, совершенно не хотели делиться дальше на составляющие. Собственно, даже единичные кварки никто не наблюдал и не сможет из-за сильного взаимодействия между ними.

Понимаете, да? Кварки по всем признакам состоят ещё из чего-то, но получить даже один мы не можем, не говоря уж о том, чтобы его препарировать. В самом деле, как показали расчёты, энергия, необходимая для разделения двух кварков превышает энергию на создание нескольких новых. Мы можем сколько угодно разгонять два протона, сталкивать их с охрененными скоростями, но в результате получим лишь букет вновь созданных, но уже известных «элементарных» частиц, причём каждый раз разный. Если забабахать реально много энергии, в крайнем случае, получим чёрную дыру. Планковских масштабов или не очень (зохавает всю нашу Землю-матушку с соседними планетами). Шучу, расслабьтесь. Ускоритель для такого дела нужен настолько мощный, что даже на алиэкспрессе он будет стоить больше всей солнечной системы целиком.

Тем не менее, как Вы уже догадываетесь, принципиальная невозможность «залезть внутрь кота» под названием «кварк» - не повод для настоящих суровых нердов-физиков сложить лапки. Анализ можно продолжать на уровне математики. Этим-то физики и занялись.

Требовалось нарисовать такую систему уравнений, которая достаточно хорошо бы описала возможные внутренности кварков, их взаимодействие и поведение в пространстве. Весьма желательно было так же получить те уравнения, которые показывали, почему у кварков наблюдаются те или иные свойства, а так же прикрутить к этим уравнениям некварковые частицы (лептоны и калибровочные бозоны). При всём при этом конечные составляющие всей указанной кодлы не должны были оказаться физическими точками, а скорее некими протяжёнными объектами, имеющими длину, площадь или объём (пусть даже многомерный).

Вот тут и вылезли на свет многочисленные теории, из которых самой известно стала М-теория (бывшая струнная). Теория предполагала наличие неких образований с более высокой размерностью, нежели наше пространство, передача колебаний по которым выглядела бы как та или иная частица в нашем мире. Как я уже писала в предыдущем посте, М-теория позволила подружить квантовую механику с электродинамикой и теорией относительности, в связи с чем большинство физиков по сей день выражают ей респект, стараясь придерживаться рядом на случай, если что-нибудь перепадёт и им новое получится открыть самостоятельно.

Сама по себе М-теория сложна как с точки зрения содержащегося матана, так и для банального усвоения, однако имеет несколько интересных моментов, которые стоит запомнить.

Первое: дополнительные измерения не наблюдаемы, потому что «свёрнуты» на микроскопических масштабах. Что значит свёрнуты? Это не сложно. Сядьте в самолёт где-нибудь в Пуэрто-Рико, и пентюхайте на нём вдоль экватора. Примерно через 120 000 км поймёте, что уже в третий раз пролетаете над теми же местами. Т.е. в данном случае «измерение», в котором Вы отсчитываете пройденный путь, будет свёрнуто в пределах Земли и выглядит как поверхность шарика. Однако это не значит, что Вы не прошли те самые 120 000 км и что не ещё пора отдавать двигатели в плановый ремонт.

Свёрнутость измерений в М-теории выглядит не как шарик, а, возможно, как один из хреновой тучи вариантов под названием многообразие Яу (улыбчивый японский математик, живой!). Варианты свёртки действительно сложные, особенно учитывая 6 пространственных измерений, выглядят как страшная неведомая зверушка, и каждый из них соответствует своему набору значений базовых квантовых констант. Каждый набор, в свою очередь, соответствует тому или иному «положению» вселенной в ландшафте энергий нулевых флуктуаций вакуума. Но об этом позднее.

Второе: свёрнуты дополнительные измерения на микроскопических масштабах. Да, я вроде уже написала об этом, зачем повторять? А затем, что масштабы эти постулируются равными расстоянию Планка – тоже интересной штуке. По сути сейчас это расстояние постулируется минимально возможным для наблюдения. То есть фактически квантом пространства. Все попытки измерить (а измерение есть воздействие и наблюдение результата) что-то короче длины Планка ведут к образованию микроскопических чёрных дыр.

Эти два ключевых момента стоит запомнить, так как они имеют прямое отношение к квантованию пространства-времени и, как следствие, к теории-Ы.

Почему Ы? А чтобы никто не догадался*. На этом пока всё, ждите следующего поста. Да, на самом интересном месте.

*Серьёзно, даже в широко известной М-теории мало кто разбирается, а ПКГ хоть и является упрощенной альтернативой, но для обывателя далеко не проста.

Поскольку статьи на тему перечисленных теорий появляются тут стабильно, и стабильно запутывают мозги всем желающим приобщиться, решила прояснить пару моментов.

Пожалуй, лучше всё-таки начать с того места, откуда ноги растут. Да, с той самой большой Ж, в которой физики оказались в конце 19 века. Конкретно: великим умам от науки было банально нечего делать: все законы открыты, описаны, а то, что непонятно – новая область под названием «электродинамика», ну никак не вписывается в существующие уравнения. Не хочет электричество Максвелла дружить с Ньютоновской механикой.

В двух словах, основная фигня заключалась в том, что электромагнитные волны были волнами. Описывались как волны, вели себя как волны, распространялись как волны. Но привычным образом думая о волнах, физики тут же вспоминали про тот факт, что волны – колебания некоей среды. Например, звук – волны, распространяющиеся в воздухе и являющиеся движением воздуха. Морские волны – движение воды. Но что тогда является средой для электромагнитных волн? Что такое колеблется, что несёт через себя электромагнетизм? «Значит что-то, таки, есть!» удумали умнейшие и замутили эфир. То есть некую независимую от материи среду, в которой происходит распространение электромагнитных колебаний: света, радио и всего того привычного, что уже вошло в жизнь. Конечно же, теория теорией, но её надо же подтверждать: эфир стали искать. Тут наших мозговитых ждал серьёзный облом: никакого эфира обнаружить не удалось. Свет распространялся во все стороны с одинаковой скоростью, независимо от скорости наблюдателя, никакой анизотропности или внешнего воздействия на движущийся объект со стороны эфира не было.

Получалась странная лажа: вот мы вроде стоим на месте, меряем скорость света. Получаем результат. Бежим вперёд, опять мерям скорость света, который сами излучаем. Тот же результат. Стоим, меряем скорость света, который даёт фонарик бегущего человека… Снова те же цифры! Цимес оказался в том, что скорости не складываются! Традиционная механика не действует! Ньютон переворачивается в гробу, физики чешут репку и начинают усиленно думать. «Шозахерня?! – читается у них на лбах. – Если традиционные уравнения не работают, как же тогда нам описывать электромагнетизм??»

Тут после некоторых относительно недолгих поползновений в плане анализа максвелловских уравнений со стороны Лоренца и Пуанкарэ на сцене появляется всем известный тогда ещё неизвестный чувак с еврейской фамилией и именем Альберт. «Ребята, вы все лохи! Господа, мы подходим не с той стороны! Я всё придумал!», после чего начинает втирать вроде бы стрёмную дичь… однако народ следит за рассуждениями (или делает вид, что следит), впечатляется, а затем признаёт: наследник хитрого народа, таки, прав. Со своею теорией относительности.

В чём суть: Эйнштейн заметил одно из главных свойств уравнений Максвелла. Они справедливы для инерциальной системы отсчёта. Любой. Их вид не меняется. А что если системы разные? А пофиг, уравнения всё равно те же. И для стоящего человека и для бегущего с фонариком. Этот факт стал «первым постулатом» теории относительности.

Вторым постулатом стало то, что у взаимодействий существует максимальная скорость распространения. Магнитное поле распространяется не быстрее определённой скорости. Как и электрическое. Как и гравитационное. Вообще все воздействия осуществляются не быстрее определённого значения. Значения скорости света в вакууме (пока будем считать, что совпало).

Отсюда вылезла нехорошая фигня, которая явно не укладывалась в мозги не только обывателей, но и великих: свет распространяется с одной скоростью относительно стоящего и относительно бегущего. Скорость не складывается и не вычитается. Если сие записать в виде уравнений на бумагу, получится, что у стоящего и бегущего разные масштабы времени. Время! Течёт по-разному! «Но это же бред!» - думали обычно физики и выкидывали свои наработки на мороз. Кроме Эйнштейна.

Мужик, не долго думая, решил: «а почему нет?». Действительно, чисто математически мы ведь можем допустить подобные модели, так почему не попробовать? Но для этого надо изменить понимание самого подхода к анализу законов, проявляющихся в мире: никакого глобального пространства-времени не существует, каждый объект живёт в своей собственной системе отсчёта. Да, из одной системы можно перейти в другую, выполнив некоторые преобразования, но сути это не меняет. «Всё относительно» появилось именно на этом этапе: у каждого своя система отсчёта.

Победой такого подхода стало не объяснение «почему так происходит?» (на это вопрос теория относительности как раз не отвечает), а возможность самого описания процессов: как посчитать. Получилось нечто вроде «голографического» подхода к рассмотрению проблемы электромагнетизма: если мы знаем, как работает обычный патефон и какой звук получается на выходе, то с mp3 плеером можно допустить примерно то же описание процесса воспроизведения звука. Хотя бы отчасти. И результат (звук) будет такой же.

Впрочем, теория относительности (общая и специальная) позволила, развив собственные математические модели, заглянуть в некоторые аспекты взаимодействия материи и успешно спрогнозировать многие явления. Но, как говорится, главный косяк остался. А именно: квантовая механика.

Квантовая механика совершенно не хотела дружит с ТО. Камнем преткновения стал третий постулат теории относительности, который говорил, что пространство «гладкое» - однородно и одинаково во всех направлениях. Как, впрочем, и время. Квантовая механика сей постулат обнулила, утвердив (и подтвердив) то, что на самом деле в пространстве идёт активное шебуршение: постоянно рождаются и умирают пары виртуальных частиц-античастиц с разными энергиями. Получилось, что само по себе пространство вроде как нихрена и не однородное.

Ещё раз: в теории относительности пространство-время это что-то вроде резинового листа, который сам по себе взаимодействует с веществом, искажая свою геометрию. Чисто подход к рассмотрению такой. В квантовой механике пространство-время – контейнер для частиц, не более. Ни с чем не взаимодействует. Справедливые результаты выдают обе теории. Одна на больших масштабах, другая – на малых.

И как, падшая женщина, всё это совместить?

Вот тут-то и появилась теория струн. Не сама по себе, конечно, и не так сразу, но… В 1968 году физики вдруг заметили, что свойства частиц, участвующих в сильном взаимодействии отлично описываются математической функцией Эйлера, которая применялась для описания колебаний гитарных струн. «Аааа, так вот в чём было всё дело-то!!» воскликнули мозговитые и кинулись, для начала, перепроверять результаты. Представьте себе, результаты были те же.

По всему выходило, что движущаяся частица (а какая у нас частица не движется?) – это и не частица вовсе, а колебание, передающееся по некоей одномерной струне. С переносом энергии, конечно. Выглядит как гребень волны на воде: вот он гребень, но по сути это волна на поверхности жидкости, которая хоть и переносит энергию, но не саму жидкость.

Дальнейший анализ математических описаний привёл к некоторым очень хорошим выводам. Во-первых, сами собой получились значения основных констант микромира. Во-вторых, согласно моделям, так называемые собственные колебания струн полностью уравновешивали квантовые флуктуации, то есть заставляли дружить теорию относительности и квантовую механику. Это был epic win. Но, конечно же, нашлись и проблемы типа не наблюдавшейся в экспериментах суперсимметрии частиц или предсказания таких из них, квадрат массы которых был отрицателен (мнимая масса - тахионы).

По результатам дальнейшего автомозгоклюйства, математическая модель струнной теории оказалась согласуемой с реальностью, если построить её не на 4 измерениях (3-пространство + время), а на 11. В итоге оказался математический монстр. Огромный, не до конца описанный и не понятно как к нему подступиться. Но, как ни странно, способный объединить все существующие в природе взаимодействия в единую систему и окончательно подружить теорию относительности с квантовой механикой. Монстрика назвали М-теорией, а на выяснение конкретного количества зубов во всех труднодоступных местах пока положили болт. Ну действительно, надо ставить такие эксперименты, что всей вселенной не хватит.

Отдельно от себя лично отмечу вот что. Основной особенностью, объединяющей теорию относительности и М-теорию, является подход к рассмотрению. И там и там опора идёт прежде всего на математику с допущениями типа «а почему бы и нет». Анализ абстрактных моделей, затем попытка подтвердить на практике (что чаще всего невозможно для м-теории). То, что «круглое оранжевое и пахнет как мандарин» не всегда является мандарином, нашим учёным ещё только предстоит понять. При попытке самостоятельных разбирательств в обеих теориях всегда следует помнить, что они описывают поведение объекта по принципу «выглядит так, как будто… » и дальше модель. Действительность сложнее.