Теорія суперструн популярним мовою для чайників

Теорія суперструн, популярною мовою, представляє всесвіт як сукупність вібруючих ниток енергії – струн. Вони є основою природи. Гіпотеза описує і інші елементи – брани. Всі речовини в нашому світі складаються з коливань струн і бран. Природним наслідком теорії є опис гравітації. Саме тому вчені вважають, що в ній міститься ключ до об'єднання сили тяжіння з іншими взаємодіями.

Концепція розвивається

Теорія єдиного поля, теорія суперструн, – суто математична. Як і всі фізичні концепції, вона базується на рівняннях, які можуть бути певним чином інтерпретовані.


Сьогодні ніхто не знає точно, яким буде остаточний варіант цієї теорії. Вчені мають досить туманне уявлення про її загальних елементах, але ніхто ще не придумав остаточного рівняння, що охопила б усі теорії суперструн, а експериментально досі не вдалося підтвердити (хоча і спростувати теж). Фізики створили спрощені версії рівняння, але поки що воно не цілком описує нашу всесвіт.

Теорія суперструн для початківців

В основі гіпотези покладено п'ять ключових ідей.

Теорія суперструн передбачає, що всі об'єкти нашого світу складаються з вібруючих ниток і мембран енергії.

Вона намагається поєднати загальну теорію відносності (гравітації) з квантовою фізикою.

Теорія суперструн дозволить об'єднати всі фундаментальні сили всесвіту.

Ця гіпотеза передбачає нову зв'язок, суперсиметрію, між двома принципово різними типами частинок, бозонами і фермионами.

Концепція описує ряд додаткових, зазвичай неспостережуваних вимірювань Всесвіту.

Струни і брани

Коли теорія виникла в 1970 роки, нитки енергії в ній вважалися 1-вимірними об'єктами – струнами. Слово «вирівняти» говорить про те, що струна має тільки 1 вимірювання, довжину, на відміну від, наприклад, квадрата, який має довжину та висоту.


Ці суперструны теорія ділить на два види – закриті і відкриті. Відкрита струна має кінці, які не стикаються один з одним, в той час як замкнута струна є петлею без відкритих кінців. В результаті було встановлено, що ці струни, звані струнами першого типу, схильні до 5 основних типів взаємодій. Взаємодії засновані на здатності струни поєднувати і розділяти свої кінці. Оскільки кінці відкритих струн можуть об'єднатися, щоб утворювати замкнені, не можна побудувати теорію суперструн, не включає закільцьовані струни. Це виявилося важливим, так як замкнуті струни володіють властивостями, як вважають фізики, які могли б описати гравітацію. Іншими словами, вчені зрозуміли, що теорія суперструн замість пояснення частинок матерії може описувати їх поведінку і силу тяжіння. Через багато років було виявлено, що, крім струн, теорії і необхідні інші елементи. Їх можна розглядати як листи, або брани. Струни можуть кріпитися до їх одній або обом сторонам.

Квантова гравітація

Сучасна фізика має два основних наукових закону: загальну теорію відносності (ЗТВ) і квантову. Вони представляють зовсім різні галузі науки. Квантова фізика вивчає дрібні природні частинки, а ОТО, як правило, описує природу в масштабах планет, галактик і всесвіту в цілому. Гіпотези, які намагаються об'єднати їх, називаються теоріями квантової гравітації. Найбільш перспективною з них сьогодні є струнна.
Замкнуті нитки відповідають поведінці сили тяжіння. Зокрема, вони мають властивості гравитона, частинки, що переносить гравітацію між об'єктами.

Об'єднання сил

Теорія струн намагається об'єднати чотири сили – електромагнітну, сильні і слабкі ядерні взаємодії, і гравітацію в одну. У нашому світі вони проявляють себе як чотири різні явища, але струнні теоретики вважають, що в ранній Всесвіту, коли були неймовірно високі рівні енергії, всі ці сили описуються струнами, взаємодіючими один з одним.

Суперсиметрія

Всі частинки у всесвіті можна розділити на два типу: бозони і ферміони. Теорія струн пророкує, що між ними існує зв'язок, звана суперсиметрією. При суперсиметрії для кожного бозона повинен існувати ферміонів і для кожного ферміону – бозон. На жаль, експериментально існування таких часток не підтверджено. Суперсиметрія є математичною залежністю між елементами фізичних рівнянь. Вона була виявлена в іншій області фізики, а її застосування призвело до перейменування в теорію суперсиметричних струн (або теорія суперструн, популярною мовою) в середині 1970 років. Одним з переваг суперсиметрії є те, що вона значно спрощує рівняння, дозволяючи виключити деякі змінні. Без суперсиметрії рівняння приводять до фізичних суперечностей, таким як нескінченні значення і уявні енергетичні рівні. Оскільки вчені не спостерігали частинки, передбачені суперсиметрією, вона все ще є гіпотезою. Багато фізиків вважають, що причина цього – необхідність у значній кількості енергії, яка пов'язана з масою відомим рівнянням Ейнштейна E = mc 2 . Ці частинки могли існувати в ранній всесвіту, але так як вона охолола, і після Великого вибуху енергія поширилася, ці частинки перейшли на низькоенергетичні рівні.
Іншими словами, струни, вибрировавшие як високоенергетичні частинки, що втратили енергію, що перетворило їх в елементи з більш низькою вібрацією. Вчені сподіваються, що астрономічні спостереження або експерименти з прискорювачами часток підтвердять теорію, виявивши деякі з суперсиметричних елементів з більш високою енергією.

Додаткові вимірювання

Іншим математичним наслідком теорії струн є те, що вона має сенс в світі, число вимірів якого більше трьох. В даний час цього існує два пояснення:

Додаткові виміри (шість з них) згорнулися, або, в термінології теорії струн, компактифицировались до неймовірно малих розмірів, сприйняти які ніколи не вдасться.

Ми застрягли в 3-мірної брані, а інші виміри простягаються поза її і для нас недоступні.

Важливим напрямком досліджень серед теоретиків є математичне моделювання того, як ці додаткові координати можуть бути пов'язані з нашими. Останні результати передбачають, що вчені незабаром зможуть виявити ці додаткові виміри (якщо вони існують) у майбутніх експериментах, так як вони можуть бути більше, ніж очікувалося раніше.

Розуміння мети

Мета, до якої прагнуть вчені, досліджуючи суперструны – «теорія всього», тобто єдина фізична гіпотеза, яка на фундаментальному рівні описує всю фізичну реальність. У разі успіху вона могла б прояснити багато питань будови нашого всесвіту.

Пояснення матерії і маси

Одна з основних завдань сучасних досліджень – пошук рішення для реальних часток. Теорія струн починалася як концепція, що описує такі частинки, як адрони, різними вищими коливальними станами струни. У більшості сучасних формулювань, матерія, що спостерігається в нашій всесвіту, є результатом коливань струн і бран з найменшою енергією. Вібрації з більшою породжують высокоэнергичные частинки, які в даний час у нашому світі не існують. Маса цих елементарних частинок є проявом того, як струни і брани загорнуті в компактифицированных додаткових вимірах. Наприклад, у спрощеному випадку, коли вони згорнуті у формі бублика, званому математиками і фізиками тором, струна може обернути цю форму двома способами:

коротка петля через середину тора;

довга петля навколо всієї зовнішньої окружності тора.

Коротка петля буде легкою часткою, а велика – важкої. При оборачивании струн навколо торообразных компактифицированных вимірювань утворюються нові елементи з різними масами. Теорія суперструн коротко і зрозуміло, просто і елегантно пояснює перехід довжини в масу. Згорнуті вимірювання тут набагато складніше тора, але в принципі вони працюють. Можливо навіть, хоча це важко уявити, що струна обертає тор у двох напрямках одночасно, результатом чого буде інша частинка з іншою масою. Брани теж можуть обертати додаткові виміри, створюючи ще більше можливостей.

Визначення простору і часу

У багатьох версіях теорія суперструн виміру згортає, роблячи їх неспостережуваними на сучасному рівні розвитку технології. В даний час не ясно, чи зможе теорія струн пояснити фундаментальну природу простору і часу більше, ніж це зробив Ейнштейн. В ній вимірювання є фоном для взаємодії струн і самостійного реального сенсу не мають. Пропонувалися пояснення, до кінця не допрацьовані, що стосувалися подання простору-часу як похідного загальної суми всіх струнних взаємодій. Такий підхід не відповідає уявленням деяких фізиків, що призвело до критики гіпотези. Конкурентна теорія петлевий квантової гравітації в якості відправної точки використовує квантування простору і часу. Деякі вважають, що в кінцевому підсумку вона виявиться лише іншим підходом до тієї ж базової гіпотези.

Квантування сили тяжіння

Головним досягненням даної гіпотези, якщо вона підтвердиться, буде квантова теорія гравітації. Поточне опис сили тяжіння в ОТО не узгоджується з квантовою фізикою. Остання, накладаючи обмеження на поведінку невеликих частинок, при спробі досліджувати Всесвіт у вкрай малих масштабах веде до виникнення протиріч.

Уніфікація сил

В даний час відомі фізикам чотири фундаментальні сили: гравітація, електромагнітна, слабкі і сильні ядерні взаємодії. З теорії струн слід зазначити, що всі вони колись були проявами одного. Відповідно до цієї гіпотези, так як рання всесвіт охолола після великого вибуху, це єдине взаємодія стало розпадатися на різні, що діють сьогодні. Експерименти з високими енергіями коли-небудь дозволять нам виявити об'єднання цих сил, хоча такі досліди знаходяться далеко за межами поточного розвитку технології.

П'ять варіантів

Після суперструнной революції 1984 р., розробки велися з гарячковою швидкістю. В результаті замість однієї концепції вийшло п'ять, названих тип I, IIA, IIB, HO, HE, кожна з яких майже повністю описувала наш світ, але не до кінця. Фізики, перебираючи версії теорії струн в надії знайти універсальну істинну формулу, створили 5 різних самодостатніх варіанти. Які їх властивості відображали фізичну реальність світу, інші не відповідали дійсності.

М-теорія

На конференції у 1995 році фізик Едвард Віттен запропонував сміливе рішення проблеми п'яти гіпотез. Грунтуючись на недавно виявлений дуальності, всі вони стали приватними випадками єдиної всеохоплюючої концепції, названої Виттеном М-теорія суперструн. Одним з її ключових понять стали брани (скорочення від мембрани), фундаментальні об'єкти, що володіють більш ніж 1 вимірюванням. Хоча автор не запропонував повну версію, якої немає досі, М-теорія суперструн коротко складається з таких рис:

11-мірність (10 просторових плюс 1 часовий вимір);

двоїстості, які призводять до п'яти теорій, що пояснюють ту ж фізичну реальність;

брани – струни, з більш ніж 1 вимірюванням.

Слідства

У результаті замість одного виникло 10 500 рішень. Для деяких фізиків це стало причиною кризи, інші ж прийняли антропний принцип, що пояснює властивості всесвіту нашою присутністю в ній. Залишається чекати, коли теоретики знайдуть інший спосіб орієнтування в теорії суперструн. Деякі інтерпретації говорять про те, що наш світ не єдиний. Найбільш радикальні версії дозволяють існування нескінченного числа всесвітів, деякі з яких містять точні копії нашої. Теорія Ейнштейна передбачає існування згорнутого простору, яке називають червоточиною або мостом Ейнштейна-Розена. У цьому випадку два віддалених ділянки пов'язані коротким проходом. Теорія суперструн дозволяє не тільки це, але і з'єднання віддалених точок паралельних світів. Можливий навіть перехід між всесвітами з різними законами фізики. Однак вірогідний варіант, коли квантова теорія гравітації зробить їх існування неможливим. Багато фізиків вважають, що голографічний принцип, коли вся інформація, що міститься в об'ємі простору, відповідає інформації, записаної на його поверхні, дозволить глибше зрозуміти концепцію енергетичних ниток. Деякі вважають, що теорія суперструн дозволяє множинність вимірів часу, наслідком чого може бути подорож через них. Крім того, в рамках гіпотези існує альтернатива моделі великого вибуху, згідно з якою наша всесвіт з'явилася в результаті зіткнення двох бран і проходить через повторювані цикли створення і руйнування. Кінцева доля всесвіту завжди займала фізиків, і остаточна версія теорії струн допоможе визначити щільність матерії і космологічну константу. Знаючи ці значення, космологи зможуть встановити, чи буде всесвіт стискається до тих пір, поки не вибухне, щоб все почалося знову. Ніхто не знає, до чого може призвести наукова теорія, поки вона не буде розроблена і перевірена. Ейнштейн, записавши рівняння E=mc 2 не припускав, що воно призведе до появи ядерної зброї. Творці квантової фізики не знали, що вона стане основою для створення лазера і транзистора. І хоча зараз ще не відомо, до чого призведе така суто теоретична концепція, історія свідчить про те, що напевно вийде щось видатне. Докладніше про цю гіпотезу можна прочитати в книзі Ендрю Циммермана «Теорія суперструн для чайників».