Теорія суперструн, популярною мовою, представляє всесвіт як сукупність вібруючих ниток енергії - струн. Вони є основою природи. Гіпотеза описує 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 тяжкості з іншими взаємодіями.
Концепція розвивається
Теорія єдиного поля, теорія суперструн, - суто математична. Як і всі фізичні концепції, вона заснована на рівняннях, які можуть бути певним чином інтерпретовані.
Сьогодні ніхто не знає точно, яким буде остаточний варіант цієї теорії. Вчені мають досить смутне уявлення про її загальні елементи, але ніхто ще не придумав остаточного рівняння, який охопив би всі теорії суперструн, а експериментально досі не вдалося її підтвердити (хоча і спростувати теж). Фізики створили спрощені версії рівняння, але поки що воно не цілком описує наш 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 спільну теорію відносності (гравітації) з квантовою фізикою.
- Теорія суперструн дозволить об'єднати всі фундаментальні сили всесвіту.
- Ця гіпотеза передбачає новий зв'язок, суперсиметрію, між двома принципово різними типами частинок, бозонами і ферміонами.
- Концепція описує ряд додаткових, зазвичай ненаблюдаемых вимірювань Всесвіту.
Струни і брани
Коли теорія виникла в 1970 роки, нитки енергії в ній вважалися 1-мірними об'єктами - струнами. Слово «одномірний» говорить про те, що струна має лише 1 вимір, довжину, на відміну від, наприклад, квадрата, який має довжину і висоту.
Ці суперструни теорія ділить на два види - замкнуті і відкриті. Відкрита струна має кінці, які не стикаються один з одним, в той час як замкнута струна є петлею без відкритих кінців. У результаті було встановлено, що ці струни, звані струнами першого типу, схильні до 5 основних типів взаємодій.
Взаємодія заснована на здатності струни з'єднувати і розділяти свої кінці. Оскільки кінці відкритих струн можуть об'єднатися, щоб утворювати замкнуті, не можна побудувати теорію суперструн, що не включає закольцовані струни.
Це виявилося важливим, оскільки замкнуті струни мають властивості, 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 тяжкості.
Через багато років було виявлено, що, крім струн, теорії необхідні й інші елементи. Їх можна розглядати як аркуші, або брани. Струни можуть кріпитися до їх однієї або обох сторін.
Квантова гравітація
Сучасна фізика має два основні наукові закони: загальну теорію відносності (ОТГ) і квантову. Вони представляють зовсім різні галузі науки. Квантова фізика вивчає найдрібніші природні частинки, а ОТГ, 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 тяжкості. Зокрема, вони мають властивості гравітона, 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 ранньому Всесвіті, коли були неймовірно високі рівні енергії, всі ці сили описуються струнами, що взаємодіють один з одним.
Суперсиметрія
Всі частинки у всесвіті можна розділити на два типи: бозони і ферміони. Теорія струн передбачає, що між ними існує зв'язок, який називається суперсиметрією. При суперсиметрії для кожного бозона повинен існувати ферміон і для кожного ферміона - бозон. На жаль, експериментальне існування таких частинок 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.
Однією з переваг суперсиметрії є те, що вона значно спрощує рівняння, дозволяючи виключити деякі змінні. Без суперсиметрії рівняння призводять до фізичних суперечностей, таких 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 = mc2. Ці частинки могли існувати в ранньому всесвіті, але оскільки він охолов, і після Великого вибуху енергія поширилася, ці частинки перейшли на низькоенергетичні рівні.
Іншими словами, струни, що вібрували як високоенергетичні частинки, втратили енергію, що перетворило їх на елементи з нижчою вібрацією.
Вчені сподіваються, що астрономічні спостереження або експерименти з прискорювачами частинок підтвердять теорію, виявивши деякі з суперсиметричних елементів з більш високою енергією.
Додаткові вимірювання
Іншим математичним наслідком теорії струн є те, що вона має сенс у світі, число вимірювань якого більше трьох. В даний час цьому існує два пояснення:
- Додаткові вимірювання (шість з них) згорнулися, або, в термінології теорії струн, компактифікувалися до неймовірно малих розмірів, сприйняти які ніколи не вдасться.
- Ми застрягли в 3-мірній лайці, а інші вимірювання простягаються поза нею 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 вимірювання (якщо вони існують) в майбутніх експериментах, так як вони можуть бути більше, ніж очікувалося раніше.
Розуміння мети
Мета, до якої прагнуть вчені, досліджуючи суперструни - «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 та маси
Одне з основних завдань сучасних досліджень - пошук рішення для реальних частинок.
Теорія струн починалася як концепція, що описує такі частинки, як адрони, різними вищими коливальними станами струни. У більшості сучасних формулювань матерія, яка спостерігається в нашому всесвіті, є результатом коливань струн і бран з найменшою енергією. Вібрації з більшою породжують високоенергійні частинки, які в даний час в нашому світі не існують.
Маса цих елементарних частинок є проявом того, як струни і брани загорнуті в компактифікованих 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 частинкою, а велика - важкою. При обертанні струн навколо тороподібних компактифікованих 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 також.
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 вимірювання, створюючи ще більше можливостей.
Визначення простору і часу
У багатьох версіях теорія суперструн вимірювання згортає, роблячи їх ненаблюдаемыми 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. У ній вимірювання є тлом для взаємодії струн і самостійного реального сенсу не мають.
Пропонувалися пояснення, до кінця не доопрацьовані, 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 петлевої квантової гравітації в якості відправної точки використовує квантування простору і часу. Дехто вважає, що зрештою вона виявиться лише іншим підходом до все тієї ж базової гіпотези.
Квантування сили тяжкості
Головним досягненням даної гіпотези, якщо вона підтвердиться, буде квантова теорія гравітації. Поточний опис сили тяжкості в ОТГ не узгоджується з квантовою фізикою. Остання, накладаючи обмеження на поведінку невеликих частинок, при спробі дослідити Всесвіт у вкрай малих масштабах веде до виникнення протиріч.
Уніфікація сил
Наразі фізикам відомі чотири фундаментальні сили: гравітація, електромагнітна, слабкі і сильні ядерні взаємодії. З теорії струн випливає, що всі вони колись були проявами однієї.
Згідно з цією гіпотезою, оскільки ранній всесвіт охолов після великого вибуху, ця єдина взаємодія стала 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 суперструнної революції 1984 р., розробки велися з гарячковою швидкістю. У підсумку 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 справжню формулу, створили 5 різних самодостатніх варіантів. Якісь їхні властивості відображали фізичну реальність світу, інші не відповідали дійсності.
М-теорія
На конференції 1995 року фізик Едвард Віттен запропонував сміливе вирішення проблеми п'яти гіпотез. Ґрунтуючись на нещодавно виявленій дуальності, всі вони стали приватними випадками єдиної всеосяжної концепції, названої Віттеном М-теорія суперструн. Одним з ключових її понять стали брани (скорочення від мембрани), фундаментальні об'єкти, що володіють більш ніж 1 виміром. Хоча автор не запропонував повну версію, якої немає досі, М-теорія суперструн коротко складається з таких рис:
- 11-мірність (10 просторових плюс 1 тимчасовий вимір);
- подвійності, які призводять до п'яти теорій, що пояснюють ту ж фізичну реальність;
- брани - струни, з більш ніж 1 виміром.
Слідства
В результаті замість одного виникло 10500 рішень. Для деяких фізиків це стало причиною кризи, інші ж прийняли антропний принцип, що пояснює властивості всесвіту нашою присутністю в ній. Залишається очікувати, 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 нашого.
Теорія Ейнштейна пророкує існування згорнутого простору, який називають червоточиною або мостом Ейнштейна-Розена. У цьому випадку дві віддалені ділянки пов'язані коротким проходом. Теорія суперструн дозволяє не тільки це, але й з'єднання віддалених точок паралельних світів. Можливий навіть перехід між всесвітами з різними законами фізики. Однак ймовірний варіант, коли квантова теорія гравітації зробить їх існування неможливим.
Багато фізиків вважають, що голографічний принцип, коли вся інформація, що міститься в обсязі простору, відповідає інформації, записаній на його поверхні, дозволить глибше зрозуміти концепцію енергетичних ниток.
Дехто вважає, що теорія суперструн дозволяє множину вимірювань часу, наслідком чого може бути подорож через них.
Крім того, в рамках гіпотези існує альтернатива моделі великого вибуху, згідно з якою наш всесвіт з'явився в результаті зіткнення двох бран і проходить через повторювані цикли створення і руйнування.
Кінцева доля світобудови завжди займала фізиків, і остаточна версія теорії струн допоможе визначити щільність матерії і космологічну константу. Знаючи ці значення, космологи зможуть встановити, чи буде всесвіт стискатися 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 = mc2, 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.
Детальніше про цю гіпотезу можна прочитати в книзі Ендрю Ціммермана «Теорія суперструн для чайників».
