Теория струн сегодня является одним из направлений современной физики, наиболее динамично развиваются. Не проходит и нескольких месяцев, как с’являются новости об очередной серьезный успех ученых. И это не удивительно, ведь множество физиков во всем мире ежедневно занимаются изучением и развитием теории струн. Большинство из них верит в единственную цель – что теория струн таки станет единой Теорией всего.
Теория струн – направление теоретической физики, что изучает динамику взаимодействия одномерных протяженных объектов, так называемых квантовых струн. Она сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на ее основе вполне возможно построить теорию, которая смогла бы описать процессы в микро и макро -мире без противоречий.
Когда Эйнштейн в начале ХХ века разработал свою общую теорию относительности и был уверен в том, что она единственно правильная, другие физики перевернули все вверх ногами, придумав и описав квантовую механику. Теория относительности работает в макромасштабах: при описании жизни планет, звезд и галактик. Квантовая механика, в свою очередь, идеально описывает микромир, имея дело с элементарными частями. Эти две теории прекрасно существуют в независимости друг от друга, но в взаимосвязи дают совершенно взаимоисключающие результаты. Эта проблема несовместимость двух верных теорий не давала покоя ученым со всего мира на протяжении долго периода времени.
Кардинально новый подход предложил в 1968 году физик Габриэле Венециано, который понял, экзотическая математическая формула, придумана примерно за двести лет до этого знаменитым швейцарским математиком Леонардом Эйлером в чисто математических целях – так называемая бета-функция Эйлера, – похоже, способна описать одним махом все многочисленные свойства частиц, участвующие в сильном ядерном взаимодействии. Замечена Венециано свойство давало мощное математическое описание многим особенностям сильного взаимодействия. Она вызвала шквал работ, в которых бета-функция и ее различные обобщения использовались для описания огромных массивов данных, накопленных при изучении столкновений частиц по всему миру. Но интересным является то, что эта функция была исследована еще до рождения Энштейна, и применялась для описания колебаний натянутых струн. Наверное именно тогда, до ученых пришла гениальная мысль: «А что, если элементарные частицы вовсе и не частицы, а микроскопические тончайшие струны, а то, что мы наблюдаем в своих приборах – это не траектория движения частицы, а траектория колебания, проходящего по этой струне?».
Первые же исследования показали, что теория струн достигает значительных успехов в описании наблюдаемых явлений. Оказалось, что теория струн замечательно может свести все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной к одному – колебания одномерной струны с соответствующим переносом энергии. Она смогла объяснить основные константы микромира с математической точки зрения. Становилось понятно, почему, например, массы элементарных частиц именно такие, какие есть, а не какие то другие. Кроме того, теория струн давала надежду на об’объединение теории относительности и квантовой механики в рамках одной теории. Но в конце концов, ученых ждало разочарование. При глубоком изучении обнаружились серьезные противоречия следствий теории с экспериментальными данными. Например, в теории струн обязательно’обязательно присутствует доля, тахион, квадрат массы которой был меньше нуля – мнимая масса, что противоречит всем физическим законам.
Преданные фанаты теории струн не сдавались без боя. В 1971 году была создана обновленная теория струн, уже под названием «теория суперструн». Обновление заключалось в том, что если первый вариант теории включал в себя описание только бозонов, то теория суперструн включала еще и фермионы. Все элементарные частицы обладают такой характеристикой, как спин (количество оборотов вокруг своей оси, которые надо сделать частице, чтобы выглядеть так же, как сначала). Элементарные частицы могут иметь только напівцілий или целочисленный спіни – 1/2, 1, 3/2, 2 и т. д. Бозонами называются те частицы, которые имеют целочисленный спин. Фермионы – те, у кого спин напівцілий. Так вот, первая версия теории струн описывала только бозоны, что было еще одной из причин, по которым она до сих пор стоит на паузе в развитии. Обновленный вариант теории струн включал в себя и фермионы, и тут ученые поняли, что при таком подходе проблема ненужных тахіонів, как и множество других противоречий, исчезает!
Но, как всегда, не обошлось без проблем. По теории суперструн получалось, что для каждого бозона должен существовать соответствующий ферміон, то есть между бозонами и ферміонами должна существовать определенная симметрия. Такой вид симметрии прогнозировали и ранее – под названием «суперсимметрия». Проблема заключалась в том, что никто и никогда не слышал про эти самые суперсимметричные фермионы. Объяснение нашли простое: по расчетам, суперсимметричные фермионы должны иметь огромную для микромира массу, и поэтому в обычных условиях их невозможно получить. Для того, чтобы зарегистрировать их, требуются огромные энергии, которые достигаются при столкновении легких частиц на почти световых скоростях. Впоследствии, получение суперсимметричных фермион стало одной из причин создания Большого адронного коллайдеру.
Еще в далеком 1919 году малоизвестный математик Калуца изложил свою теорию, в которой делал предположения, что на самом деле Вселенная может быть чотирьохвимірним в пространстве, и в доказательство своих слов приводил расчеты, из которых выходило, что при таком условии теория относительности прекрасно согласуется с теорией электромагнитного поля Максвелла, чего невозможно достичь в обычном трехмерном Вселенной. В 1926 году физик Оскар Клейн заинтересовался работами Калуцы и усовершенствовал его модель. За Клейном получалось, что дополнительное измерение действительно может существовать, но он находится в «свернутом» и зацикленном на самом себе виде. Причем свернуто четвертое измерение очень туго – до размеров элементарных частиц, поэтому мы его и не замечаем. Теория получила название пятивимірного мира Калуцы – Кляйн (четыре измерения в пространстве + время). В то же время, было предъявлены предположение, что противоречие в расчетах теории суперструн обусловлена тем, что принято было считать, что струны колеблются лишь в трех направлениях, которыми располагает наша Вселенная. Физики начали увеличивать количество вероятных измерений Вселенной, пока не ввели 9 пространственных измерений, при которых теория струн полностью согласовывалась с теорией относительности и квантовой механикой.
Тогда физики громогласно провозгласили, что на самом деле мы живем в десятивимірному Вселенной, в том числе одно измерение временной, три знакомых нам измерения развернуты до космических размеров, а остальные шесть свернуты в микроскопических масштабах и потому незаметны. Причем ни подтвердить, ни опровергнуть это на эксперименте практически невозможно, потому что речь идет о столь малые масштабы струн и свернутых измерений, что современная аппаратура ничего не способна найти. Физикам удалось (по крайней мере, на бумаге) установить общий вид шести свернутых измерений, что необходимо для того, чтобы наш мир оставался таким, каким он есть.
В середине девяностых годов прошлого века произошла так называемая вторая революция в теории струн. В середине 1990-х Эдвард Виттен, Джозеф Полчинський и другие физики обнаружили веские доказательства того, что разные суперструнні теории являются различными предельными случаями не разработанной пока 11-мерной М-теории. Оказалось, что введение еще одного измерения, укладывается в рамки квантовой теории и теории относительности, и более того – снимает очень много проблем, накопившиеся в теории струн. Переименование старого названия «теория струн» было оправдано, потому что по M-теории получается, что основа Вселенной – не только одномерные струны. Оказалось, что могут существовать и двухмерные аналоги струн – мембраны, и трехмерные, и чотирьохвимірні. Эти конструкции были названы бранами. За что физики особенно благодарны М-теории, то это за то что ей в определенном смысле удалось избавиться от сингулярности. Сингулярность по теории относительности – это бесконечная кривизна пространства-времени в экстремальных условиях( в черных дырах или во время Большого взрыва ). М-теория струн утверждает, что никакой сингулярности не будет, ибо вся Вселенная имеет минимальный размер сжатия (так называемый Планковий размер), после которого она автоматически «вывернется наизнанку» и снова начнет расширяться. Точнее, продолжит сжиматься, но со стороны это будет выглядеть как расширение.
Если удастся довести работы над теорией струн до конца и вывести непротиворечивую всем остальным теорию, то она будет претендовать на звание Единой теории всего, потому что будет включать в себя все известные на сегодняшний день виды взаимодействий во Вселенной, включая даже злополучную гравитацию, которую до сих пор не удавалось приписать ни одной теории. Ученые считают, что это одна из конечных целей физики как науки.
