Теорія струн

ТЕОРІЯ СТРУН – НАПРЯМ ТЕОРЕТИЧНОЇ ФІЗИКИ, ЩО ВИВЧАЄ ДИНАМІКУ ВЗАЄМОДІЇ ОДНОВИМІРНИХ ПРОТЯЖНИХ ОБ’ЄКТІВ, ТАК ЗВАНИХ КВАНТОВИХ СТРУН. ВОНА ПОЄДНУЄ В СОБІ ІДЕЇ КВАНТОВОЇ МЕХАНІКИ І ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ, ТОМУ НА ЇЇ ОСНОВІ ЦІЛКОМ МОЖЛИВО ПОБУДУВАТИ ТЕОРІЮ, ЯКА ЗМОГЛА Б ОПИСАТИ ПРОЦЕСИ В МІКРО ТА МАКРО -СВІТІ БЕЗ СУПЕРЕЧНОСТЕЙ.

Коли Енштейн на початку ХХ століття розробив свою загальну теорію відносності і був упевнений в тому, що вона єдино правильна, інші фізики перевернули все догори ногами, придумавши та описавши квантову механіку. Теорія відносності працює у макромасштабах: при описі життя планет, зірок та галактик. Квантова механіка, у свою чергу,  ідеально описує мікросвіт, маючи справу з елементарними частинами. Ці дві теорії прекрасно існують в незалежності одне від одного, але у взаємозв’язку дають абсолютно взаємовиключні результати. Ця проблема несумістності двох вірних теорій не давала спокою фізикам з усього світу на протязі довго періоду часу.

Кардинально новий підхід запропонував у 1968 році фізик Габріеле Венеціано, який  зрозумів, що екзотична математична формула, придумана приблизно за двісті років до цього знаменитим швейцарським математиком Леонардом Ейлером в чисто математичних цілях – так звана бета-функція Ейлера, – схоже, здатна описати одним махом всі численні властивості частинок, що беруть участь в сильній ядерній взаємодії. Помічена Венеціано властивість давала потужний математичний опис багатьом особливостям сильної взаємодії. Вона викликала шквал робіт, в яких бета-функція і її різні узагальнення використовувалися для опису величезних масивів даних, накопичених при вивченні зіткнень частинок по всьому світу. Але цікавим є те, що ця функція була дослідженою ще до народження Ейнштейна, і застосовувалась для опису коливань натягнутих струн. Напевно саме тоді, до вчених прийшла геніальна думка: «А що, якщо елементарні частинки зовсім і не частки, а мікроскопічні найтонші струни, а те, що ми спостерігаємо в своїх приладах – це не траєкторія руху частинки, а траєкторія коливання, що проходить по цій струні?».

Реклама

Перші ж дослідження показали, що теорія струн досягає значних успіхів в описі спостережуваних явищ. Виявилося, що теорія струн чудово може звести всі чотири фундаментальні взаємодії Всесвіту до одного – коливання одновимірної струни з відповідним перенесенням енергії. Вона змогла пояснити основні константи мікросвіту з математичної точки зору. Ставало зрозуміло, чому, наприклад, маси елементарних частинок саме такі, які є, а не якісь інші. Крім того, теорія струн давала надію на об’єднання теорії відносності та квантової механіки в рамках однієї теорії. Але зрештою, вчених чекало розчарування. При глибокому вивченні виявилися серйозні протиріччя наслідків теорії з експериментальними даними. Наприклад, в теорії струн обов’язково присутня частка, тахіон, квадрат маси якої був менше нуля – уявна маса, що суперечить усім фізичним законам.

Віддані фанати теорії струн не здавались без бою. У 1971 році була створена оновлена теорія струн, вже під назвою «теорія суперструн». Оновлення полягало в тому, що якщо перший варіант теорії включав в себе опис тільки бозонів, то теорія суперструн включала ще й ферміони. Всі елементарні частинки володіють такою характеристикою, як спін (кількість обертів навколо своєї осі, які треба зробити частці, щоб виглядати так само, як спочатку). Елементарні частинки можуть мати лише напівцілий або цілочисельний спіни – 1/2, 1, 3/2, 2 і т. д. Бозонами називаються ті частинки, які мають цілочисельний спін. Ферміони – ті, у кого спін напівцілий. Так ось, перша версія теорії струн описувала тільки бозони, що було ще однією з причин, за якими вона до сих пір стоїть на паузі в розвитку. Оновлений варіант теорії струн включав в себе і ферміони, і тут вчені зрозуміли, що при такому підході проблема непотрібних тахіонів, як і безліч інших протиріч, зникає!

Але, як завжди, не обійшлося без проблем.  По теорії суперструн виходило, що для кожного бозона повинен існувати відповідний ферміон, тобто між бозонами і ферміонами повинна існувати певна симетрія. Такий вид симетрії прогнозували і раніше – під назвою «суперсиметрія». Проблема полягала в тому, що ніхто й ніколи не чув про ці самі суперсиметричні ферміони. Пояснення тому знайшли просте: за розрахунками, суперсиметричні ферміони повинні мати величезну для мікросвіту масу, і тому в звичайних умовах їх неможливо отримати. Для того, щоб зареєструвати їх, потрібні величезні енергії, які досягаються при зіткненні легких частинок на майже світлових швидкостях. Згодом, отримання суперсиметричних ферміонів стало однією з причин створення Великого адронного колайдеру.

Ще в далекому 1919 році маловідомий математик Калуца виклав свою теорію, в якій робив припущення, що насправді Всесвіт може бути чотирьохвимірним в просторі, і в доказ своїх слів приводив розрахунки, з яких виходило, що за такої умови теорія відносності чудово узгоджується з теорією електромагнітного поля Максвелла, чого неможливо досягти в звичайному тривимірному Всесвіті. У 1926 році фізик Оскар Клейн зацікавився роботами Калуци і удосконалив його модель. За Клейном виходило, що додатковий вимір дійсно може існувати, але він знаходиться в «згорнутому» і зацикленому на самому собі вигляді. Причому згорнуто четвертий вимір дуже туго – до розмірів елементарних частинок, тому ми його і не помічаємо. Теорія отримала назву пятивимірного світу Калуци – Клейна (чотири виміри в просторі + час). В той же час, було висуното припущення, що суперечність в розрахунках теорії суперструн зумовлена тим, що прийнято було вважати, що струни коливаються лише в трьох напрямках, якими володіє наш Всесвіт. Фізики почали збільшувати кількість ймовірних вимірів Всесвіту, поки не ввели 9 просторових вимірів, при яких теорія струн повністю узгоджувалася з теорією відносності та квантовою механікою.

Тоді фізики гучно проголосили, що насправді ми живемо в десятивимірному Всесвіті, в тому числі один вимір часовий, три знайомих нам виміри розгорнуті до космічних розмірів, а інші шість згорнуті в мікроскопічних масштабах і тому непомітні. Причому ні підтвердити, ні спростувати це на експерименті практично неможливо, тому що мова йде про такі малі масштаби струн і згорнутих вимірів, що сучасна апаратура нічого не спроможна знайти. Фізикам вдалося (принаймні, на папері) встановити загальний вигляд шести згорнутих вимірів, що необхідний для того, щоб наш світ залишався таким, яким він є.

В середині дев’яностих років минулого століття відбулася так звана друга революція в теорії струн. У середині 1990-х Едвард Віттен, Джозеф Полчинський й інші фізики виявили вагомі докази того, що різні суперструнні теорії є різними граничними випадками не розробленої доки 11-вимірної М-теорії. Виявилося, що введення ще одного виміру, вкладається в межі квантової теорії і теорії відносності, і більш того – знімає дуже багато проблем, що накопичилися в теорії струн. Перейменування старої назви «теорія струн» було виправдано, бо по M-теорії виходить, що основа Всесвіту – не тільки одномірні струни. Виявилося, що можуть існувати і двомірні аналоги струн – мембрани, і тривимірні, і чотирьохвимірні. Ці конструкції були названі бранами. За що фізики особливо вдячні М-теорії, то це за те що їй в певному сенсі вдалось позбавитися від сингулярності. Сингулярність за теорією відносності – це безкінечна кривизна простору-часу в екстремальних умовах( в чорних дірах або під час Великого вибуху ). М-теорія струн стверджує, що ніякої сингулярності не буде, бо весь Всесвіт має мінімальний розмір стиснення (так званий Планковий розмір), після якого вона автоматично «викрутиться навиворіт» і знову почне розширюватися. Точніше, продовжить стискатися, але з боку це буде виглядати як розширення.

Якщо вдасться довести роботи над теорією струн до кінця і вивести несуперечливу усім іншим теорію, то вона буде претендувати на звання Єдиної теорії всього, бо буде включати в себе всі відомі на сьогоднішній день види взаємодій у Всесвіті, включаючи навіть злощасну гравітацію, яку до сих пір не вдавалося приписати ні одній теорії. Вчені вважають, що це одна з кінцевих цілей фізики як науки.