Смешная история о становлении теории струн.

Мюррей был королём физики, когда я впервые встретился с ним в Корал Гейблс, штат Флорида, в 1970 году. В то время кульминацией сезона теоретической физики была конференция в Корал Гейблс. А кульминацией конференции была лекция Мюррея. Для меня Корал Гейблс оказался первой большой конференцией, на которую я был приглашен не в качестве лектора, а в качестве слушателя. Мюррей начал свою лекцию с темы спонтанного нарушения дилатационной симметрии – одной из проблем, с которой у него были проблемы. Едва ли я смогу вспомнить саму лекцию, но очень хорошо помню, что произошло потом: мы с Мюрреем застряли в лифте.

Я был тогда совершенно неизвестен, в то время как всё физическое сообщество боготворило Мюррея. Разумеется, застряв с ним в лифте, я потерял дар речи.

Чувствуя необходимость как-то начать разговор, Мюррей поинтересовался, чем я занимаюсь. Я испуганно ответил: «Я работаю над теорией адрона, представляющей его как своего рода эластичный шнур, как резинку». В следующий ужасный момент, который я не забуду никогда, он начал смеяться. И это был не короткий смешок, а громогласный гомерический хохот. Я чувствовал себя презренным червём. Затем двери лифта открылись, и я позорно уполз с горящими ушами.

После этого я не встречался с Мюрреем почти два года. Следующая наша встреча состоялась на другой конференции, в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми, сокращённо Фермилаб. Эта конференция была очень представительной: около тысячи участников, среди которых были наиболее влиятельные теоретики и экспериментаторы со всего мира. И в этот раз я снова был слушателем.

В день открытия конференции, когда мы с группой друзей ожидали начала первой лекции, к нам неторопливо подошёл Мюррей. При всех он сказал: «Мне очень жаль, что я смеялся над вами в лифте в тот день. Я думаю, что задача, над которой вы работаете, – это просто фантастика, и я посвящу ей большую часть моей лекции. Давайте присядем где-нибудь и поговорим об этом, когда у нас выдастся свободная минутка». В этот момент я из червя превратился в принца: сам король оказал мне свою милость!

В течение пары дней после этого, встречая Мюррея, я спрашивал: «Не настало ли время нам поговорить?» И каждый раз он отказывался, ссылаясь на какую-нибудь важную встречу.

В последний день конференции я стоял в длинной очереди к турагенту. Мне нужно было поменять авиабилет, и я ждал своей очереди уже более часа. Наконец, когда передо мной в очереди оставалось только два или три человека, ко мне подошёл Мюррей со словами: «Я свободен! Мы можем поговорить прямо сейчас. У меня есть пятнадцать минут». «О’кей, – сказал я себе. – Это твой шанс. Сделаешь всё правильно, и ты – принц. Сделаешь что-то не так, и ты – наживка для рыбы».

Мы сели за свободный столик, и я начал объяснять, как моя новая «резиновая» теория связана с его и Фейнмана идеями. Я собирался начать с диаграммы рыболовной сети. Помню, я сказал: «Я начну с партонов».

«Партоны? Партоны… Какие, к дьяволу, партоны? Патроны? Пистоны? Вы хотите вставить мне пистон? Так, что ли?» Я понял, что совершил непростительную ошибку, но не мог сообразить какую. Я пытался объяснить, но всё, что я получал в ответ, – это «Патроны? Что это такое?» Так прошли четырнадцать из пятнадцати отведённых мне минут, пока он не спросил: «Патроны – они имеют заряд?» Я ответил: «Да». – «Принадлежат ли они группе SU(3)?» Я снова ответил утвердительно. Тогда его лицо просветлело: «А-а, так вы имеете в виду кварки!» Я совершил смертный грех, назвав составляющие адронов словом, которое придумал Фейнман, а не Мюррей. Похоже, я был единственным физиком на планете, который не подозревал о непримиримом соперничестве между этими двумя титанами из Калтеха.

Во всяком случае, у меня оставались ещё одна или две минуты, за которые я в сжатом виде изложил свои соображения, а затем Мюррей посмотрел на часы и сказал: «Ладно, спасибо. У меня назначена встреча с одним важным человеком, с которым я должен переговорить до моей лекции».

Я был так близко и вместе с тем так далеко. Увы, не для меня королевские почести, а для меня земля и грязь. Но затем я услышал то, что вернуло меня к жизни. Я увидел Мюррея, который пересказывал группе своих коллег всё то, что я успел ему рассказать. «Сасскинд говорит, что… Сасскинд утверждает, что… Мы должны заняться теорией струн Сасскинда…» А затем Мюррей рассказал о моей идее в своём заключительном докладе на конференции. И хотя теории струн была посвящена лишь небольшая часть доклада, она получила благословение Мюррея, а я чувствовал себя как после езды по американским горкам.

Я заметил, что многие люди берутся оценивать то или иное творчество, выдавая свое личное мнение за объективную оценку. Диванные эксперты лепят свои предвзятые ярлыки на всё: песни, фильмы, книги и т.д., но, к сожалению, их суждения зачастую поверхностны и редко когда бывают объективны. Меня, почему то, всегда это беспокоило, и я много об этом думал. Так сложилось, что мыслей накопилось на небольшую статейку, которой я хочу с вами поделиться.

Для формирования целостной картины мира, пытливому уму человека необходимо понимать из чего состоит тот или иной объект окружающей действительности. На протяжении столетий ученые пытались понять, из чего состоит наш мир, и благодаря стремительному развитию технологий продвинулись в этом направлении весьма далеко.

Мы поняли, что всё живое от человека до амёбы состоит из клеток, клетки в свою очередь состоят из молекул, молекулы из атомов, ну а атомы формируются из элементарных частиц. С этими элементарными частицам человечество познакомилось относительно недавно и для их изучения ученые тратят огромное количество ресурсов. Яркий пример это Большой адронный коллайдер, благодаря которому была открыта такая элементарная частица как Бозон Хиггса. Но, не смотря, на то, что пока люди делают робкие шаги в эмпирическом изучении составляющих субатомного мира, пытливый человеческий ум строит теории о том, откуда берутся сами элементарные частицы. Достаточно популярной теорией этого является теория струн, которая основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн. Размер этих струн настолько мал, что в ближайшее время вряд ли появится возможность доказать их существование экспериментально, однако эта теория хорошо согласуется с представлением о мире с точки зрения математики и теоретической физики.

Эта теория и вообще всё выше сказанное натолкнуло меня на размышления о том, что поток энергии из нашего сознания во внешний мир, обретая формы речи, мимики, жестов, текста, дел, тоже из чего-то состоит. И если то, что я перечислил, можно ассоциировать с молекулами, из которых состоят клетки информации, которую один человек хочет донести до другого, то атомами, по всей видимости, будут наши эмоции, а элементарными частицами наши чувства. Эмоции так же как атомы хорошо изучены и могут быть получены экспериментально. Чувства же едва уловимы для восприятия человека, поэтому нам самим порой сложно понять, что мы чувствуем, а едва поняв это чувство, ускользает подобно элементарной частице в состоянии квантовой суперпозиции.

Оставив за скобками биологические процессы в человеческом мозге, что же порождает в нас сами чувства? я думаю можно назвать это, возможно заезженным, но очень подходящим к этому контексту словосочетанием "струны души". Подобно квантовым струнам, их невозможно ни описать, ни осознать, однако они отлично вписываются в мое восприятие мира. Струны души порождают чувства, чувства эмоции, эмоции выплескиваются в виде различных форм, которые в обратном порядке воздействуют на другого человека. И в тот момент, когда вибрация струн одного человека резонирует со струнами другого, образуется не зримая, но очень сильная связь. Я считаю, что это и есть фундаментальная основа творчества. Когда человек ищет самовыражения по средствам творчества, он пытается любым доступным ему способом передать те чувства, которые зачастую просто невозможно даже описать словами. Но, тем не менее, люди находят средства для транслирования своих внутренних вибраций, которые могут заставить колебаться в унисон струны тысяч людей, а могут и утонуть в белом шуме внешнего мира, но это, по сути, не имеет большого значения. Главное это наличие этих вибраций и желание ими поделиться. Ведь если хотя бы один человек поймает ту самую частоту волны созидания, близкую к той, что он ощущает сам, для него это может быть толчком к тому, чтобы вдохновится на выражение своего внутреннего мира. Я считаю это и есть самое прекрасное в творчестве. Вдохновляться и вдохновлять других людей, вот что важнее любых качественных составляющих. Я имею ввиду, что объективной оценки качества творчества нет и быть не может, просто потому, что мы оцениваем его исключительно сквозь призму своих внутренних струн, которые у каждого человека уникальны. Если какой-то творческий порыв не нашел отклика, возможно он не дошел до нужного человека или же просто мир к нему еще не готов.

Учёные работают над ней, она согласовывается с наукой, и выражаются надежды, что она может стать величайшим научным прорывом. Но в ней не хватает ключевого ингредиента.

Сейчас у струнных теоретиков нет объяснения тому, почему существует три больших пространственных измерения и время, а остальные измерения микроскопические. Предположения на этот счёт делаются самые разные. — Эдвард Уиттен

Существует много способов определения науки, но один из тех, с которым могут согласиться, пожалуй, все – описывает науку, как процесс, в результате которого: собираются знания по поводу естественных процессов или конкретного явления; выдвигается проверяемая гипотеза, содержащая естественное, физическое объяснение этого явления; эта гипотеза проверяется и либо подтверждается, либо опровергается; строится более общий каркас, или научная теория, описывающая гипотезу и делающая предсказания других явлений; она в свою очередь также проверяется и либо подтверждается, в случае чего начинаются поиски новых явлений, которые можно проверить (обратно на 3-й шаг), или опровергается, в случае чего выдвигается новая проверяемая гипотеза (обратно на 2-й шаг). И так далее. Этот научный процесс всегда включает постоянный сбор новых данных, уточнение или замену гипотез, когда процесс выходит за сферу действия гипотезы, и проверку теории с целью её подтверждения или опровержения. Именно так всегда продвигалась наука, признаём мы это или нет. Гелиоцентризм пришёл на смену геоцентризму, потому что он объяснял явления, которые не мог объяснить геоцентризм, включая: луны Юпитера; фазы и относительные размеры Венеры и Марса в разное время года; 

периодичность кометных орбит.

Ньютоновская гравитация пришла на смену законам Кеплера из-за её возможности делать предсказания, комбинируя наземную и небесную механику. Даже теория относительности Эйнштейна, общая и специальная, появилась в ответ на невозможность ньютоновской механики объяснить поведение на скоростях, близких к скорости света, а также в сильных гравитационных полях. Для этого потребовалось провести наблюдения, невозможные во времена Ньютона, например, измерить время жизни частиц, появляющихся при радиоактивном распаде и орбиту Меркурия вокруг Солнца на протяжении веков. Продолжающийся сбор данных – в новых условиях, с увеличенной точностью и на более долгих промежутках – позволил нам увидеть недостатки в ярких, но обладавших короткой жизнью научных теориях, а также разглядеть потенциал расширения за их пределы.

Перенесёмся в сегодняшний день. ОТО Эйнштейна пока остаётся лидирующей теорией гравитации, она прошла все эксперименты и наблюдения, которым подвергалась, от гравитационного линзирования до увлечения инерциальных систем отсчёта и уменьшения орбит двойных пульсаров, а три оставшихся фундаментальных взаимодействия – электромагнетизм, слабое и сильное – описываются квантовыми теориями поля. Эти два класса теорий несовместимы и не полны, что показывает, что во Вселенной есть много такого, чего мы не понимаем, несмотря на успех Стандартной модели и необходимость в квантовой теории гравитации.

Один вариант решения этой загадки – теория струн, идея, состоящая в том, что всё, что мы воспринимаем как частицы или взаимодействия, является лишь проявлением открытых или закрытых струн, вибрирующих на определённых уникальных частотах.

Может показаться, что раз мы называем идею теорией струн и предлагаем её как возможное решение научной проблемы, мы уже утвердительно ответили на вопрос: да, теория струн является научной. Но её можно назвать теорией только в математическом смысле, что у неё есть свой набор аксиом, постулатов, элементов, теорем и выводов, которые можно из этого сделать. Теория множеств, теория групп и теория чисел – это примеры математических теорий, и теория струн – ещё один схожий пример.

Но физическая ли это теория?

Она делает физические предсказания, например:

о существовании десяти измерений;

о предопределённости фундаментальных констант «вакуумом»;

о существовании суперсимметричных частиц;

о существовании математической эквивалентности между теорией квантовой гравитации в, допустим, пятимерном пространстве и теорией поля без гравитации на границе этого пространства (четырёхмерной).

Это, безусловно, предсказания о физике Вселенной. Но можно ли их проверить?

Пока что ответ — нет. Первая проблема крайне серьезна: нужно избавиться от шести измерений, чтобы прийти к воспринимаемой Вселенной, а это можно сделать таким количеством способов, что их число больше, чем атомов во Вселенной. Ещё хуже, что каждый из них даёт свой вариант «вакуума» в теории струн, без понятного способа получения фундаментальных констант, описывающих нашу Вселенную – а это уже второе предсказание.

Третье пока не подтвердилось, но нам потребуются энергии в ~1015 раз большие, чем выдаёт БАК, чтобы полностью исключить теорию струн и опровергнуть её. Кроме того, суперсимметричные частицы – это не уникальное предсказание струнной теории. Их обнаружение будет означать лишь, что струнная теория не исключается, а не то, что она правильная. А последнее предсказание – математическое, а не физическое. Оно не даёт нам возможности что-то пронаблюдать или протестировать.

И хотя недавно по ней проводилась целая конференция, толчком к которой послужила спорная работа, написанная в прошлом году Джорджом Эллисом и Джо Силком, ответ ясен: нет, струнная теория не является научной. Люди пытаются превратить её в науку – как сказали Сабрина Хоссенфелдер и Дэвид Кастелвеччи [Sabine Hossenfelder and Davide Castelvecchi] – меняя определение науки.

Вот так чушь! Если я покажу вам тюльпан и скажу: «это роза», вы можете показать мне все розы в мире и сказать, «нет, вот это розы, а у тебя – тюльпан». А если я поменяю определение розы, чтобы оно включало тюльпаны, станет ли он из-за этого розой? Или я просто превращу полезное определение и разделение в менее полезное?

Чтобы подняться до уровня научной теории, вам нужно сделать проверяемое – а следовательно, опровергаемое – предсказание. Даже физическое состояние, появляющееся вследствие устоявшейся теории, такое, как множественные вселенные, не будет научной теорией, пока мы не найдём способ его подтвердить или опровергнуть; это только гипотеза, даже если это хорошая гипотеза. Интересно, что когда струнную теорию предложили впервые, она называлась струнной гипотезой, поскольку все понимали, что она ещё не поднялась до уровня взрослой теории. (Конечно, в то время она постулировала, что струны были фундаментальными сущностями внутри ядер атомов вместо кварков и глюонов).

И это всё ещё физическая гипотеза, и возможно, когда-нибудь она станет физически интересной научной теорией. В этот день мы все с гордостью поприветствуем струнную теорию, входящую в сообщество научных. До тех пор согласимся, что струнная теория интересна, благодаря содержащимся в ней возможностям. Имеют ли значение и смысл эти возможности для нашей Вселенной – на этот вопрос сегодняшняя наука ответить не может.

Источник: https://geektimes.ru/post/278820/

Общая теория относительности и квантовая механика

Обычной областью применения общей теории относительности являются огромные, астрономические масштабы расстояний. Согласно теории Эйнштейна, на этих масштабах отсутствие масс означает, что пространство является плоским. Пытаясь объединить общую теорию относительности и квантовую механику, мы должны резко изменить фокусировку и исследовать свойства пространства в микроскопическом масштабе. Мы продемонстрировали это на рис. 5.1 путем последовательного увеличения масштаба и перехода к уменьшающимся областям пространства.

По мере того, как мы увеличиваем масштаб, на первых порах не происходит ничего особенного; можно видеть, что на первых трех уровнях увеличения на рис. 5.1 структура пространства сохраняет свои основные свойства. Если подходить с сугубо классической точки зрения, мы могли бы рассчитывать на то, что такая спокойная и плоская структура пространства будет сохраняться все время, вплоть до любого, произвольно малого масштаба расстояний. Однако квантовая механика радикально меняет эту картину. Объектом квантовых флуктуаций, управляемых соотношением неопределенностей, является все – даже гравитационное поле. Хотя классическая теория говорит, что гравитационное поле в пустом пространстве равно нулю, квантовая механика говорит, что оно будет нулевым в среднем, а его текущее значение будет изменяться за счет квантовых флуктуаций. Более того, соотношение неопределенностей говорит нам, что размер флуктуаций гравитационного поля будет возрастать при переходе ко все меньшим областям пространства.

Поскольку гравитационное поле проявляется в кривизне пространства, эти квантовые флуктуации выражаются в его чудовищных деформациях. Мы можем наблюдать проявление таких деформаций на четвертом уровне увеличения на рис. 5.1. При переходе к еще меньшему масштабу расстояний, такому, как на пятом уровне рис. 5.1, мы видим, что случайные квантово-механические флуктуации гравитационного поля соответствуют такому сильному искривлению пространства, что оно совсем перестает напоминать мягко искривленные геометрические объекты типа резиновой пленки, которую мы использовали в качестве аналогии в предыдущих рассуждениях. Скорее оно принимает вспененную, турбулентную и скрученную форму, показанную в верхней части рисунка. Джон Уиллер предложил для описания такого хаоса, обнаруживаемого при изучении ультрамикроскопической структуры пространства (и времени), термин квантовая пена – описывающий незнакомую нам область Вселенной, в которой обычные понятия «налево и направо», «вперед и назад», «вверх и вниз» (и даже «до и после») теряют свой смысл. Именно на таких малых расстояниях мы сталкиваемся с фундаментальной несовместимостью общей теории относительности и квантовой механики. Понятие гладкости геометрии пространства, являющееся основным принципом общей теории относительности, рушится под напором неистовых флуктуаций квантового мира, существующих в масштабе ультрамикроскопических расстояний.

Только музыка, или Суть теории суперструн

С давних времен музыка является источником метафорических образов для тех, кто пытается разгадать тайны Вселенной. С открытием теории суперструн музыкальные метафоры приобрели удивительную реальность, поскольку согласно этой теории микромир заполнен крошечными струнами, звучание которых управляет эволюцией мироздания.

Теория струн предлагает оригинальное и глубокое изменение теоретического описания свойств Вселенной на ультрамикроскопическом уровне – изменение, которое, как постепенно осознают физики, модифицирует общую теорию относительности, делая ее полностью совместимой с законами квантовой механики. Согласно теории струн элементарные компоненты Вселенной не являются точечными частицами, а представляют собой крошечные одномерные волокна, подобные бесконечно тонким, непрерывно вибрирующим резиновым лентам. Здесь важно не дать названию ввести нас в заблуждение. В отличие от обычных струн, состоящих из молекул и атомов, струны, о которых говорит теория струн, лежат глубоко в самом сердце материи. Теория струн утверждает, что именно они представляют собой ультрамикроскопические компоненты, из которых состоят частицы, образующие атомы. Струны, являющиеся объектом теории струн столь малы – в среднем их размер сопоставим с планковской длиной, - что даже при изучении с помощью самого мощного оборудования они выглядят точечными.

Однако уже простая замена точечных частиц струнами в качестве фундаментальных компонентов мироздания ведет к далеко идущим последствиям.

Объединение через теорию струн

Помимо неспособности включить в себя гравитационное взаимодействие, стандартная модель, представляющая элементарные компоненты мироздания в виде точечных образований, лишенных какой-либо внутренней структуры, обладает еще одним недостатком – она не дает описания устройства объектов, с которыми работает. Почему природа выбрала именно те частицы и взаимодействия, которые были перечислены в табл. 1.1 и 1.2? Почему 19 параметров, которые описывают количественные характеристики этих компонентов, имеют именно те значения, которые имеют? Ученым не удавалось отделаться от чувства, что количество и свойства этих объектов являются совершенно случайными. Стандартная модель сама по себе не способна дать объяснения всем этим фактам, поскольку она принимает список частиц и их свойств как полученные экспериментально входные данные.

Теория струн имеет совершенно иной характер. Все входные данные, которые ей необходимы, ограничиваются описываемым ниже единственным параметром. Теория струн способна объяснить все свойства микромира. Чтобы понять это, обратимся сперва к более привычным струнам скрипки. Каждая струна может совершать огромное (на самом деле бесконечное) число различных колебаний, известных под названием резонансных. Пример таких колебаний показан на рис. 6.1

Это колебания, у которых расстояние между максимумами и минимумами одинаково, и между закрепленными концами струны укладывается в точности целое число максимумов и минимумов. Человеческое ухо воспринимает резонансные колебания как различные музыкальные ноты. Схожие свойства имеют струны в теории струн. Они могут осуществлять резонансные колебания, в которых вдоль длины струн укладывается в точности целое число равномерно распределенных максимумов и минимумов. Некоторые примеры таких колебаний показаны на рис. 6.2.

Основное утверждение теории струн таково: точно так же, как различные моды резонансных колебаний скрипичных струн рождают различные музыкальные ноты, различные моды колебаний фундаментальных струн порождают различные массы и константы взаимодействия. Поскольку это очень важное утверждение, давайте повторим его еще раз. Согласно теории струн свойства элементарных «частиц» - их массы и константы различных взаимодействий – в точности определяются резонансными модами колебаний, реализуемыми внутренними струнами этих частиц.

Легче всего понять эту ассоциацию для массы частицы. Энергия конкретной моды колебания струны зависит от ее амплитуды и от длины волны. Чем больше амплитуда и чем короче длина волны, тем больше энергия (рис. 6.3).

Такая картина, опять же, привычна для нас: если коснуться струны скрипки сильнее, звук будет более сильным, слабое прикосновение даст более нежный звук. Согласно специальной теории относительности энергия и масса представляют собой две стороны одной медали: чем больше энергия, тем больше масса и наоборот. Таким образом, в соответствии с теорией струн, масса элементарной частицы определяется энергией колебания внутренней струны этой частицы. Внутренние струны более тяжелых частиц совершают более интенсивные колебания, струны легких частиц колеблются менее интенсивно.

Поскольку масса частицы определяет ее гравитационные характеристики, существует прямая связь между модой колебания струны и откликом частицы на действие гравитационной силы. Физики установили, что существует аналогичное соответствие между иными характеристиками колебания струны и реакцией на другие взаимодействия – например, электрический заряд, константы слабого и сильного взаимодействия, которые несет частица, в точности определяются типом ее колебания. Более того, это справедливо и для самих частиц, переносящих взаимодействия – фотоны, калибровочные бозоны слабого взаимодействия и глюоны представляют собой всего лишь иные моды колебаний струн, и, что особенно важно, характеристики одной из мод колебаний струн в точности совпадают с характеристиками гравитона.

Таким образом, согласно теории струн наблюдаемые характеристики всех элементарных частиц определяются конкретной модой резонансного колебания внутренних струн. Этот взгляд радикально отличается от точки зрения, которой придерживались физики до открытия теории струн, когда считалось, что различия между фундаментальными частицами обусловлены тем, что они «отрезаны от разных кусков ткани». Хотя частицы считались элементарными, предполагалось, что они состоят из различного «материала». Так, например, «материал» электрона имел отрицательный электрический заряд, а «материал» нейтрино был электрически нейтральным. Теория струн радикально изменила эту картину, объявив, что «материал» всего вещества и всех взаимодействий является одним и тем же. Каждая элементарная частица состоит из отдельной струны, - точнее, каждая частица представляет собой отдельную струну – и все струны являются абсолютно идентичными. Различия между частицами обусловлены различными модами резонансных колебаний этих струн. То, что представлялось различными частицами, на самом деле является различными «нотами», исполняемыми на фундаментальной струне. Вселенная, состоящая из бесчисленного количества этих колеблющихся струн, подобна космической симфонии.

Музыка теории струн

Окружающие нас струны могут иметь самое разное натяжение. Например, шнурки на ботинках обычно натянуты намного слабее, чем струны на скрипке. И те и другие, в свою очередь, имеют гораздо меньшее натяжение, чем струны рояля. Как определить натяжение фундаментальных струн? Когда в 1974 г. предположили, что одна из мод колебаний струн представляет собой гравитон, расчеты показали, что интенсивность взаимодействия, передаваемого колебанием струны, соответствующим гравитону, обратно пропорциональна натяжению струны. А поскольку гравитон передает гравитационное воздействие, которое является очень слабым, полученное значение натяжения оказалось колоссальным: тысяча миллиардов миллиардов миллиардов (1039) тонн, так называемое планковское натяжение. Таким образом, фундаментальные струны являются чрезвычайно жесткими по сравнению с обычными.

Вследствие такого огромного натяжения типичная энергия колеблющейся петли в теории струн становится чрезвычайно большой. Чтобы понять это, вспомним, что чем больше натяжение струны, тем труднее заставить ее колебаться. Например, заставить колебаться струну скрипки гораздо легче, чем струну рояля. Поэтому две струны, колеблющиеся совершенно одинаковым образом, но натянутые по-разному, будут иметь различную энергию. Струна с большим натяжением будет иметь большую энергию, чем струна с низким натяжением, поскольку для того, чтобы привести ее в движение, потребуется большее количество энергии.

В то время как струны рояля закреплены, что гарантирует постоянство их длины, для фундаментальных струн подобного закрепления, ограничивающего их размер, нет. Вместо этого чудовищное натяжение струн заставляет петли, которые рассматриваются в теории струн, сжиматься до микроскопических размеров. Детальные расчеты показывают, что под действием планковского натяжения типичная струна сжимается до планковской длины, т.е. до 10-33.

Разрешение конфликта между гравитацией и квантовой механикой

Конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой возникает благодаря свойствам структуры пространства, проявляющимся в субпланковском масштабе расстояний. Если элементарные компоненты Вселенной непригодны для исследований на субпланковских масштабах расстояний, это значит, что ни они, ни какие-либо объекты, состоящие из таких компонентов, не могут испытывать влияния этих кажущихся гибельных квантовых флуктуаций на малых масштабах. Это похоже на то, что произойдет, если мы проведем рукой по полированной гранитной поверхности – хотя на микроскопическом уровне гранит является дискретным, зернистым и неровным, наши пальцы не смогут обнаружить эти микроскопические неровности, и поверхность покажется нам абсолютно гладкой. Подобно этому, поскольку струна имеет конечные пространственные размеры, существует нижний предел ее разрешающей способности. Струна не способна обнаружить изменения на субпланковском масштабе расстояний. Подобно нашим пальцам на граните, струна смажет ультрамикроскопические флуктуации гравитационного поля. Теория струн ликвидирует фатальные бесконечности, возникающие при попытке построить квантовую теорию гравитации на основе точечных частиц.

Во Вселенной, управляемой законами теории струн, уже не является истинной обычная точка зрения, согласно которой мы можем без ограничения делить объекты на все более и более мелкие части. Предел существует, он вступает в игру, когда мы сталкиваемся с разрушительной квантовой пеной, показанной на рис. 5.1. Следовательно, в определенном смысле можно утверждать, что бурные квантовые флуктуации на субпланковских расстояниях не существуют, поскольку предполагается, что струны являются наиболее фундаментальным объектом мироздания и имеют слишком большой размер, чтобы на них оказывали влияние флуктуации структуры пространства, происходящие на субпланковских расстояниях.

Вывод, который можно из этого сделать, состоит в том, что предполагаемые флуктуации структуры пространства в масштабе субпланковских расстояний связаны исключительно с формулировкой общей теории относительности и квантовой механики в рамках модели, основанной на точечных частицах. Это означает, что центральное противоречие современной теоретической физики в определенном смысле является проблемой, которую породили мы сами. Поскольку мы ранее предположили, что все частицы вещества и все частицы, передающие взаимодействие, должны быть точечными объектами, практически не имеющими пространственной протяженности, мы были обязаны рассматривать свойства Вселенной на протяженно малых масштабах. И на самых малых расстояниях мы столкнулись с проблемой, выглядящей неразрешимой. Теория струн утверждает, что мы столкнулись с этой проблемой только потому, что существует предел тому, насколько глубоко можно исследовать Вселенную, - предел, определяющий, до какого уровня наше обычное понятие расстояния может применяться к ультрамикроскопической структуре мироздания.

Несовместимости общей теории относительности и квантовой механики, проявляющейся только в масштабе субпланковских расстояний, можно избежать во Вселенной, где есть нижний предел для расстояний, которые доступны для исследований или которые существуют в обычном смысле этого слова. Такова Вселенная, описываемая теорий струн: в ней законы макромира и микромира могут быть без ущерба объединены, после того, как мы покончили с воображаемой катастрофой, возникающей на ультрамикроскопических расстояниях.

Исследователи из Института гравитационной физики Общества Макса Планка (Германия) обнаружили, что скрытые измерения, которые предсказывает теория струн, могут оказывать влияние на гравитационные волны. В статье, представленной в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, ученые рассматривают последствия этих воздействий на рябь пространства-времени.

Впервые гравитационные волны были зафиксированы обсерваторией LIGO в сентябре 2015 года. Теперь похоже, что с их помощью физики могут не только исследовать черные дыры и другие экзотические астрофизические объекты, но и понять саму гравитацию. «По сравнению с другими фундаментальными силами, такими как, например, электромагнетизм, гравитация крайне слаба. Причина этого, возможно, кроется в том, что она взаимодействует более чем с тремя измерениями в пространстве и одним измерением времени», – рассказывает Дэвид Анриот, ведущий автор исследования.

Дополнительные измерения.

Дополнительные измерения скрыты, потому что очень малы. Они являются неотъемлемой частью теории струн – одного из перспективных кандидатов на роль теории квантовой гравитации. Теория квантовой гравитации объединяет квантовую механику с Общей теорией относительности и объясняет, что происходит, когда задействованы очень большие массы на очень малых расстояниях, например, внутри черной дыры или при Большом Взрыве.

«Физики искали дополнительные измерения на Большом адронном коллайдере, но это не дало никаких результатов. Однако, детекторы гравитационных волн могут предоставить экспериментальные данные», – сказал Густаво Лусена Гомес, соавтор исследования.

Исследователи обнаружили, что дополнительные измерения должны оказывать два разных эффекта на гравитационные волны: они будут изменять «стандартные» гравитационные волны и будут вызывать дополнительные волны на частотах выше 1000 Гц. Пока наблюдение второго маловероятно, поскольку существующие наземные детекторы недостаточно чувствительны на высоких частотах.

С другой стороны, дополнительные измерения могут повлиять на то, как «стандартные» гравитационные волны растягивают и сокращают пространство-время. Эффект, по мнению ученых, может быть обнаружен при использовании более одного детектора. Поскольку детектор Virgo вскоре присоединится к двум детекторам LIGO, предположение о скрытых измерениях можно будет проверить уже в ближайшие пару лет.

По материалам: in-space

Источник