Теория струн

Изначально определение струн как фундаментальных объектов появилось, чтобы объяснить нюансы строения некоторых элементарных частиц. Позже, в 1970 году, родилась идея, что сталкивающиеся пионы взаимодействуют между собой посредством соединяющей их ничтожно тонкой нити. Так родилась теория струн, представляющая элементарные частицы как вибрирующие на определённых частотах одномерные струны. Струна представляет собой объект, не имеющий толщины, но обладающий длиной. Она определена значением в 10^-35 м. Характер колебаний этих струн определяет свойства элементарных частиц, например, заряд.

Обычные масштабы должны сводить 10-мерную теорию струн к достаточно надёжной физике элементарных частиц. Но, как известно, таких способов практически бесконечное количество, причём, каждая полученная четырёхмерная теория подразумевает свой собственный мир. Варианты струнных колебаний определяют свойства частиц, а сами колебания зависимы от геометрии дополнительных измерений.

Бозонная теория струн

Бозонная теория предписывает движение струн в пространстве-времени. Струны, как и говорилось выше, могут вибрировать. Способ вибрации определяет массу частицы и её параметры. В результате получается гамма – спектр масс. Вначале в моделях предлагались открытые струны (обладающие двумя свободными концами), и замкнутые (петлеобразные). Генерация спектров этих типов различна.

Ещё одна проблема – ограничение спектра частиц одними бозонами. Но во Вселенной присутствуют и другие частицы. Также бозонная теория предполагает наличие несуществующей частицы — тахиона, имеющего отрицательный квадрат массы. Сейчас бозонная теория уступила место М-теории, более состоятельной и правдоподобной, но зато и более сложной.

М-теория – последнее воплощение теории струн

История теории струн насчитывает две суперструнные революции. Вторая ознаменовалась открытием 11-мерной М-теории. Целью её явилось объединение фундаментальных взаимодействий. Что означает буква «М», не ясно, и физики-теоретики обыгрывают её в разных вариациях – матричная, мембранная и даже – мистическая. М-теория обладает интересным свойством: всё, нами воспринимаемое как координатами струны (время, местоположение), по факту является матрицей – математическим набором. Только при очень удалённом положении струн в пространстве, матрицы могут походить на координаты. Если будет доказана верность этой теории, то она сможет раскрыть природу Мультивселенной и стать основным достижением науки за всю её историю. Теория является новым подходом к ОТО.

По сути, она – модель Вселенной, создающей сама себя. Есть два фактора, способных подтвердить теорию:

1. Суперсимметричные частицы. Используя Большой адронный коллайдер, можно доказать существование суперсимметричных частиц (если они, конечно, существуют). Их обнаружение будет существенным достижением в подтверждении М-теории.
2. Поиски отклонений от закона тяготения. Уже проводятся множественные эксперименты по проверке этого закона на очень малых (сотые доли мм) расстояниях. Обнаружении аномалии на сверхмалых расстояниях также будет плюсом в сторону М-теории.

 М-теория описывает и иные Вселенные, из её уравнении следует существование огромного числа параллельных миров с другими законами физики и другим числом измерении. В данный момент проверить М-теорию экспериментально нет никаких возможностей, пока она является только красивой математической гипотезой. 2003 год стал новой точкой отсчёта: стало известно, что есть много способов для сведения 10-мерных суперструнных теорий в 4-мерную теорию поля. Любой вариант редукции 10-мерной теории создаёт свой мир, 4-мерный. Он может иметь схожесть с нашим, наблюдаемым, а может иметь отличия от него. Совокупность всех вариантов таких миров, реализованных из суперструнной теории, именуется ландшафтом теории. Рассчитанное (теоретически) число таких вариантов поражает воображение. Их минимум 10¹⁰⁰, но, что более вероятно, 10⁵⁰⁰. А есть мнение, что количество их – бесконечность.

В 80-х годах открылось, что теория струн возможна в пяти вариантах. Но, как вытекает из здравого смысла, одновременное действие двух вариантов одного закона невозможно. Тогда вторая суперструнная революция объяснила, что эти теории являются лишь предельными случаями М-теории, которая стала единой фундаментальной. Между всеми пятью теориями есть связь. Это преобразования, которые называются дуальностями. Дуальности могут увязывать в одно целое величины, имеющие различные параметры – разные масштабы, различные константы связи.

Эйнштейн оперировал четырёхмерностью, и это согласовывалось с его ОТО. Но для струнных структур измерений требуется гораздо больше, иначе их существование становится проблематичным. Бозонная теория подразумевает необходимость существования 26-мерного пространства, а суперструнным теориям достаточно и десяти — одиннадцати измерений. Но эти измерения, в отличие от четырёх, нам понятных и осязаемых, остаются невидимы.

Компактификация

Эта операция преобразования объясняет невидимости дополнительных измерений, замыкая их на себя на таких мизерных расстояниях, что обнаружить их невозможно (в планковских масштабах). Классическим примером для понимания такого утверждения служит поливочный шланг. Рассматривая его издали, видно лишь одно измерение этой вещи – длина, но, оказавшись ближе, открывается, что есть ещё и окружность, толщина. Все дополнительные измерения возможно увидеть только при достаточном приближении. Но поскольку они ничтожно малы, то возможности наблюдать их не существует.

Локализация

В этом случае дополнительные измерения не такие и маленькие, но почему-то все частицы нашей реальности локализовались на поверхности четырёхмерной в многомерной Вселенной. Уйти с этой поверхности они не могут. Такая поверхность (лист) именуется брана, и она – часть наблюдаемой Вселенной. Но и все мы, и то, что нас окружает, составлено из частиц, поэтому нам не удаётся взглянуть вы другие измерения. Только гравитация может поспособствовать увидеть дополнительные измерения. Так как она – следствие искривленного пространства-времени, и не зациклена на бране, то и гравитоны (если они существуют) должны «выходить» в другие измерения. Видимостью этого процесса станет неожиданное пропадание энергии,  унесенных такими частицами.

Проблемы теории струн

• Невозможность экспериментального подтверждения. Чтобы проверить и подтвердить какую-либо теорию, необходимо провести эксперимент. Но струнную теорию экспериментально проверить пока нельзя. Невозможность такого эксперимента и в обозримом времени, по причине технологического несовершенства, понижает доверие к теории. Но такое положение дел не может стать основанием, чтобы объявить теорию струн несостоятельной. Нужно развивать и её, и саму экспериментальную науку, чтобы в будущем исследовать пока ещё недоступные величины.
• Проблемы вычислений. Эта трудность математическая: все вычисления в уравнениях теории очень трудо- и ресурсозатратны. Математика еще не совершенна объяснения некоторых аспектов струнных теории, многие направления вычислении только разрабатываются.
• Сверхсложность. Уравнения М-теории невероятно сложны, поэтому учёным приходится работать только с их приближёнными формами. А это не может вести к высокой точности. Иногда ситуация требует изобретения новых математических методов для решения таких уравнений.
• Экспериментальная недостаточность. Масштабы описываемых явлений настолько малы, что нет возможности подтвердить их экспериментальным путём. Чтобы такая возможность представилась, необходим ускоритель, по размерам не уступающий Вселенной.

Чёрные дыры и теория струн

Стромиджер и Вафа, струнные теоретики, с помощью теории струн смогли отыскать микроскопические компоненты чёрных дыр экстремального типа. Учёные предложили конструкцию чёрной дыры в виде механизма, состоящего из конкретного набора бран. Были вычислены количества перестановок микрокомпонентов дыры, оставляющие неизменными основные параметры – заряд и массу. Теория струн смогла проанализировать микрокомпоненты и точно рассчитать энтропию чёрных дыр этого класса.

Обычные масштабы должны сводить 10-мерную теорию струн к достаточно надёжной физике элементарных частиц. Но, как известно, таких способов практически бесконечное количество, причём, каждая полученная четырёхмерная теория подразумевает свой собственный мир. Варианты струнных колебаний определяют свойства частиц, а сами колебания зависимы от геометрии дополнительных измерений. Приближенные уравнения, что существуют сейчас, удовлетворяют и многим другим гипотетически возможным Вселенным со своей геометрией и законами физики. 99% населения земного шара даже приблизительно не могут понять суть этой теории. Некоторые понятия (струны и их колебания, множественность измерений) просто невозможно представить без глубоких познании в точных науках.