Вы когда-нибудь задумывались о том, на что похожа Вселенная? Как насчёт любого струнного инструмента. Скрипка, контрабас, гитара или даже гусли.

Странно? Очень! Нет, Вселенная вряд ли своей формой напоминает гусли, это абсурд. А вот струны, по мнению некоторых теоретиков, всё-таки у Вселенной есть – своеобразные энергетические объекты, пронизывающие все сущее. Глазом струны не увидеть, размер их в миллиарды раз меньше атома. А ещё они способны растягиваться и извиваться. И что же это за струны такие? Давайте попробуем разобраться.

Косяк физики
В это сложно поверить, но 2 века назад классическая физика считала, что всё, что можно было открыть – уже открыто, вряд ли грядёт что-то новое (ха-ха, как они ошибались). Но тут как гром ⚡️ среди ясного неба появилась квантовая теория.
Если взять абсолютно чёрное тело, то оно поглотит излучения любой длины волны. А если рассчитать его энергию, то результат – бесконечность. Явный парадокс. Это означает, что классическая физика верна не для всего. Но в 1900 году Макс Планк смело заявил, что свет и другие электромагнитные излучения могут испускаться дискретными порциями, квантами. Это и стало стартом квантовой теории.

А уже в 1926 году Гейзенберг формулирует знаменитое уравнение неопределённости. В чём его суть? Если кратко:

«Невозможно определить импульс и скорость квантовой частицы, можно узнать лишь вероятность её нахождения»

Непонятно? Да, квантовая теория и здравый смысл вообще не очень хорошие друзья. Частицы находятся в полном хаосе. Действует корпускулярно-волновой дуализм: то есть статус частиц в разных ситуациях разный – и вот поди разбери, волна это или частица. А ещё пространство со временем искривлены.

По другую сторону стоит ОТО. Стройная, красивая теория, которая работает на массивных объектах. Ровная ткань пространства-времени под действием как массивных объектов гнётся и искажается. Это мы и ощущаем, как гравитацию.
А вот как подружить эти две теории между собой – до сих пор большой вопрос. Об этом конфликте теорий мы писали в предыдущем посте. Вот здесь то и вступает в игру теория струн – на её основе пытаются создать «теорию всего», которая объединила бы квантовую физику с ОТО.

Теория струн
За то время, пока развивается теория, учёные успели миллион раз перейти из лагеря тех, кто считает теорию струн бредом в лагерь тех, кто в неё верит, и наоборот. В целом количество последователей теории только увеличилось.

Ещё со школы мы знаем, что атомы состоят из электронов и ядра, а ядра состоят из протонов и нейтронов. Протоны с нейтронами, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц – кварков. А что если копнуть глубже? Теория струн утверждает, что на кварках дело не заканчивается. Она гласит, что кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны. Каждая из них невообразимо мала. Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров Солнечной системы, струна была бы размером с дерево.

Представьте себе гитару – колебания струны создают то, что мы слышим как музыкальные ноты. А вот в теории струн различные способы (моды) вибрации струны придают частицам их уникальные свойства – массу, заряд и прочее.

Представите себе протоны в кончике вашего ногтя. Чем они отличаются от пока не открытого гравитона? Только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются. Звучит странно, неправда ли? Мы и так не привыкли к нелогичному поведению элементов квантовой физики. А теперь тут ещё и непонятные «спагетти» окутывающие всю Вселенную.

Согласно теории, именно дополнительные измерения (предположительно их 10) определяют точное значение фундаментальных констант. Одни формы измерений заставляют струну вибрировать определенным образом, и порождают то, что мы видим, как фотон. В других формах струны вибрируют иначе, и порождают электрон. Именно эти крошечные формы определяют все основополагающие константы этого мира.

Теория суперструн

В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид. Но внутри этого монумента царила путаница. Всего за несколько лет возникло пять версий теории струн. Каждая из них построена на струнах и дополнительных измерениях (все пять версий объединены в общую теорию суперструн – NS). Основные расхождения теории – в деталях.

В одних версиях у струн открытые концы. В других же версиях струны напоминают кольца. В некоторых вариантах теория требует даже не 10, а все 26 измерений. Парадокс в том, что все пять версий на сегодняшний день можно назвать одинаково верными. Но какая из них действительно описывает нашу Вселенную? Это очередная загадка теории струн. Именно поэтому многие физики снова «махнули рукой» на сумасбродную теорию.

Самая главная проблема струн в невозможности (по крайней мере, пока) доказать их наличие ни экспериментальным, ни математическим путем. Некоторые ученые поговаривают, что на следующем поколении ускорителей есть очень минимальная, но все же возможность проверить гипотезу о дополнительных измерениях. Но большинство учёных всё же уверены, что если это и возможно, то произойти это, увы, должно еще очень нескоро. Как минимум через десятилетия, как максимум – даже через сотню лет.

Быть может теория струн и не станет теорией всего, но определённо, у неё есть возможность, стать отправной точкой для новых открытий.

Русская версия:

О Теории струн слышали наверное все. Она активно популяризируется, такой тренд в научном мире. Многие знают о противостоянии Теории струн и Петлевой квантовой гравитации по сериалу “Теория большого взрыва”. Прямо как Vue.js и React в мире IT. Почему Теория Струн так популярна, и как её понять обычному человеку?

Эта статья для обычных людей, кстати, я тоже обычный человек, поэтому отправился на просторы интернета, чтобы сформулировать максимально простое объяснение и поделиться им в этой статье.

Когда не ученый, но пытаешь рассказать о Теории Струн

Сначала давайте определимся, как построены теории в науке. Все они — математическая модель, описывающая мир с некоторой погрешностью. Существует множество теорий. Чтобы хоть что-то понять, нам нужно получить базовое представление и о некоторых других теориях. (Я пытался проще, правда).

1. Общая Теория Относительности (ОТО) — объясняет природу гравитации, хорошо работает на макро-расстояниях (больших расстояниях).

2. Квантовая Теория Поля — не работает на макро-расстояниях, только на микро.

Эти две теории, применяемые на одном расстоянии, конфликтуют друг с другом. Но интуиция подсказывает, что наша реальность не должна быть так устроена. Ведь должна быть теория, работающая одинаково хорошо на всех расстояниях. Конфликт Теории относительности и Теории поля как раз устраняется Теорией струн.

Различные вещества состоят из молекул, которые состоят из атомов, далее субатомы (кварки), а за ними одномерные вибрирующие образования струны. Особенность Теории Струн состоит в том, что в ней кирпичиками выступают не частицы, а ультрамикроскопические квантовые струны, которые совершают колебания. Струна с более высокой частотой колебания, проявляется, как частица с большей массой. Здесь важно понимать, что струна не представляет собой никакую материю, а по сути является энергией, и поэтому Теория струн как бы намекает, что всё, что существует, состоит из энергии.

Представим огонь. Когда вы на него смотрите, кажется, что он материален, вроде бы как объект, который можно потрогать, но на деле — просто энергия, которую нельзя потрогать. Только в отличие от огня, через струну или струны нельзя пропустить руку, так как колеблющаяся струна — это как бы возбужденное состояние пространства, которое становится осязаемым.

В настоящее время нам известно четыре измерения: длина, ширина, высота и время. По математическим подсчетам теории струн получается, что на самом деле измерений больше. Одна из причин, почему мы не можем наблюдать остальные измерения — локализация — состоит в том, что дополнительные измерения не столь малы, однако в силу ряда причин все частицы нашего мира локализованы на четырёхмерном листе в многомерной вселенной (мультивселенной) и не могут его покинуть. Этот четырёхмерный лист (брана) и есть наблюдаемая часть мультивселенной. Поскольку мы, как и вся наша техника, состоим из обычных частиц, то мы в принципе неспособны взглянуть вовне.

Вселенная может содержать множество бран, взаимодействующих только за счет сил тяготения или не взаимодействующих вообще. Такие конструкции называют мультивселенными.

Единственная возможность обнаружить присутствие дополнительных измерений — гравитация. Гравитация, будучи результатом искривления пространства-времени, не локализована на бране, и потому гравитоны и микроскопические чёрные дыры могут выходить вовне. В наблюдаемом мире такой процесс будет выглядеть как внезапное исчезновение энергии и импульса, уносимых этими объектами.

И тут, как часто бывает в физике, возникает стандартная проблема: Теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не даёт однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в эксперименте. Таким образом, Теория струн находится в «зачаточной стадии»: она обладает множеством привлекательных математических особенностей и может стать чрезвычайно важной в понимании устройства Вселенной, но требуется дальнейшая разработка для того, чтобы принять её или отвергнуть. Поскольку Теорию струн, скорее всего, нельзя будет проверить в обозримом будущем в силу технологических ограничений, некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли данная теория статуса научной, поскольку, по их мнению, она не соответствует критерию Поппера (нефальсифицируема).

В физике существует множество крутых теорий, но они не объясняют все, поэтому появилась теория струн, которая должна объяснить все. Ну, хотелось бы…

Источники: The Question, Science-pop, Wikipedia.

Сегодня научная картина мира складывается таким образом, что нашей Вселенной управляет два набора законов — общая теория относительности, которая объясняет прекрасную работу гравитации, и квантовая механика, которая описывает остальные три взаимодействия вселенной (сильное ядерное, слабое ядерное и электромагнетизм). Можно брать эти законы и применять к вещами на больших масштабах — планеты, галактики, а затем к мельчайшим масштабам — протонам и нейтронам. Но зачем природа сделала два отдельных набора законов для вселенной?

Теория суперструн — это попытка ответить на два вопроса: существует ли способ объединить общую теорию относительности и квантовую механику, создав «теорию всего»? Из чего все состоит?

Теория суперструн

Раньше мы считали, что строительными блоками жизни являются атомы, мельчайшие компоненты материи. Но затем мы столкнули атомы и обнаружили элементарные частицы, настолько мелкие составляющие, что даже не можем их разглядеть, не изменив определенным образом. Чтобы увидеть что-то, нам нужно, чтобы свет сперва отразился от объекта и попал в наши глаза, составив картинку. Свет состоит из электромагнитных волн, которые свободно проходят через элементарные частицы. Мы можем сделать эти волны плотнее, добавить им энергии, чтобы они ударили частицы и мы могли увидеть их, но как только частицу что-то бьет, она меняется, поэтому увидеть ее в исходном состоянии мы не можем. Мы понятия не имеет, как выглядят элементарные частицы. Как и темную энергию, темную материю, мы не можем наблюдать эти явления непосредственно, но у нас есть основания полагать, что они существуют.

Мы рассматриваем эти частицы как точки в пространстве, хотя на самом деле они таковым не являются. Несмотря на все недостатки, этот метод — идея квантовой механики о том, что силы переносятся частицами — дает нам неплохое представление о вселенной и приводит к прорывам вроде квантовых растворителей и поездов на магнитной левитации. Общая теория относительности сама по себе тоже прошла хорошую проверку временем, объясняя нейтронные звезды и аномалии орбиты Меркурия, предсказывая черные дыры и искривление света. Но уравнения ОТО, к сожалению, перестают работать в центре черной дыры и в преддверии Большого Взрыва. Проблема в том, что свести их вместе не получается, потому что гравитация связана с геометрией пространства и временем, когда расстояния измеряются точно, а в квантовом мире измерить что-то нет никакой возможности.

Когда ученые попытались изобрести новую частицу, которая поженила бы гравитацию с квантовой механикой, их математика просто дала сбой.

В некотором смысле пришлось вернуться к школьной доске. Поэтому ученые предположили, что мельчайшие компоненты вселенной — это не точки, а струны. Различные колебания струн создают различные элементарные частицы вроде кварков. Вибрирующие струны могли бы составить всю материю и все четыре силы во Вселенной — включая гравитацию.

Высшие измерения

У теории суперструн есть проблема. Она не сработает, если предположить, что существует только три пространственных измерения и одно временное, в которых мы живем. Теория струн требует, чтобы в игре было не меньше десяти измерений.

Когда ОТО была впервые задумана, гравитация искажала пространство и время, чтобы описать эту силу. Поэтому, если бы кому-то захотелось описать другую силу, например, электромагнетизм, ему понадобилось бы добавить новое измерение. Ученые написал уравнения, описывающие кривые и дефекты вселенной с дополнительным измерением, и получил оригинальное уравнение электромагнетизма. Удивительное открытие.

Дополнительные измерения теории струн могут нам помочь объяснить, почему числа в нашей Вселенной настолько выверены, что позволяют всему существовать. Например, почему скорость света 299 792 458 метров в секунду? Они также пытаются ответить на вопрос о гравитации — почему эта сила настолько слабая? Она самая слабая из четырех фундаментальных взаимодействий: в 1040 раз слабее электромагнитной силы. Достаточно будет просто наклониться и поднять книгу с пола, чтобы противодействовать ей. Теоретически это происходит потому, что гравитация просачивается в более высокие измерения. Гравитация состоит из нитей с замкнутым контуром, что позволяет ей покидать наше измерение, в отличие от разомкнутых нитей, которые лучше заземлены.

Почему мы не видим всех этих измерений?

Потому что они существуют на таком малом уровне, что невидимы для нас, не поддаются обнаружению. Они компактные, укомплектованные таким образом, что воспроизводят физику нашего мира, складываясь в интересные формы Калаби-Яу. Различные формы Калаби-Яу позволяют существовать различным вибрациям струн и совершенно разным вселенным.

Мы даже можем протестировать предполагаемые множественные вселенные. Поскольку мы предполагаем, что гравитация просачивается в более высокие измерения, после столкновения двух частиц должно быть меньше времени, чем до столкновения. Но даже в самых благоприятных условиях тестирование чего-то подобного было бы невероятно трудным, неуловимым.

Расчеты теории струн производятся в моделируемых вселенных с 10 или 11 измерениями, где математика работает. Затем ученые пытаются стереть дополнительные измерения, но пока никто не преуспел в описании нашей вселенной или разработке какого-то эксперимента для доказательства теории. Однако это не значит, что у нас нет никаких применений для теории струн.

Математический инструмент, разрабатываемый в рамках исследований теории струн, помогает нам понимать части нашей вселенной. Мы можем использовать его для лучшего объяснения информационного парадокса, квантовой гравитации и некоторых проблем чистой математики. Некоторые ученые используют теорию для своих вычислений в физике частиц или при наблюдении экзотических состояний материи.

Теория струн может и не станет теорией всего, но это хотя бы теория чего-то.

Original : https://hi-news.ru/science/prostymi-slovami-chto-takoe-teori...