Симфония вселенной: теория струн для начинающих

Более пятидесяти лет назад физики предположили, что все частицы состоят из мельчайших петель. Так родилась теория струн, и, возможно, в будущем ее огромный потенциал поможет объяснить все фундаментальные проблемы современной физики.

Мы рассказывали про Стандартную модель, основную теорию, описывающую поведение микроскопических частиц. У нее есть ряд очевидных проблем, которые побуждают физиков предлагать различные альтернативные теории. До сих пор ни одна из моделей «новой физики» не нашла экспериментального подтверждения, но ученые не теряют надежды: предложенная в 60-х годах XX века теория струн до сих пор не потеряла своей актуальности и в перспективе сможет изменить наш взгляд на мир.

Из чего сделаны частицы?

Увидеть частицы напрямую ученым вряд ли когда-то удастся. Ни один, даже самый мощный микроскоп в мире не позволит увидеть хотя бы атом. Чтобы изучать структуру частиц, был придуман особый способ: «бомбардировать» объект другими, более мелкими частицами, и изучать, каким образом они разлетаются в разные стороны.

Вы можете проделать такой эксперимент дома: взять два предмета, например, коробку и кастрюлю. И покидать в них небольшой резиновый шарик. Шарик будет по-разному отскакивать от ровных стенок коробки и скругленных стенок кастрюли – наших экспериментальных объектов. Немного тренировок – и только по тому, куда отлетает шарик, вы скажете, что именно за предмет сейчас подвергается бомбардировке, даже если не будете на него смотреть.

Ученые накопили достаточно статистики, чтобы успешно применять этот принцип. Удалось определить, что одни частицы, например, входящие в состав атома протоны и нейтроны имеют составную структуру, а электроны и многие другие частицы… не состоят из чего-либо меньшего размера, то есть на языке физики являются «бесструктурными».

Состоять из ничего

Что значит «не имеет структуры»? На этот вопрос Стандартная модель ответа не имеет и предпочитает сильно не задумываться. На самом деле есть всего два варианта: либо вещество можно бесконечно делить на мелкие составляющие (что маловероятно), либо мы рано или поздно должны дойти до каких-то минимальных объектов, которые образуют все остальные.

В качестве решения проблемы структуры частиц в середине прошлого века была предложена теория струн. В ней все частицы состоят из мельчайших «петель» – струн размером всего лишь 10^-33 см.

В настоящий момент указаний на существование струн получено не было, но это легко объяснить: современные технические возможности просто не позволяют исследовать столь малые объекты. «Издалека» частицы выглядят как обычные шарики. Что, собственно, физики уже давно и с успехом наблюдают.

Как по нотам

Петли, составляющие частицы, не просто парят в пространстве. В теории струн они колеблются, причем множеством различных способов. В игре на гитаре в зависимости от толщины и длины струны (последнюю мы регулируем, зажимая пальцами) музыкант воспроизводит разные ноты. Разные колебания микрострун, в свою очередь, соответствуют разным частицам. Таким образом теория струн даёт единый способ описания всех видов материи.

Почему теория струн нравится физикам

Замена частиц на соответствующие им струны приводит к некоторым крайне важным следствиям. Изучив свойства колеблющейся петли, ученые пришли к выводу, что они удивительно схожи с характеристиками гравитона – на данный момент не открытой частицы, которой отводится роль переносчика гравитации. Теория струн, имеет все шансы разрешить главный спор в физике XX века – включить гравитационное взаимодействие в Стандартную модель.

Длина, ширина, высота

Ни для кого не секрет, что мы живем в трехмерном мире – у каждого объекта есть длина, ширина и высота. К трем измерениям добавляется еще четвертое – время. Со временем ученые выяснили, что теория струн «работает» только в пространстве с десятью или одиннадцатью измерениями. Они предполагают, что шесть или семь из них имеют очень малые размеры, порядка самой частицы, и на практике не наблюдаются.

Впоследствии была даже придумана геометрическая форма сжатых измерений: физики предполагают, что они похожи на клубок спутанной пряжи. Из-за малых размеров мы просто не замечаем движения в них.

Это все хорошо, но…

У теории струн есть один основной недостаток – она еще не описана математически. Существует не один, не два, а целых шесть разных вариантов, но ученые до сих пор не смогли объяснить, как именно должна «работать» струнная квантовая гравитация и как в таком случае возникла вся Вселенная. Это задача для будущих поколений, ведь вера в теорию струн по-прежнему сильна. Если, конечно, физики не сменят свои предпочтения и не решат перейти к более интересным объектам. И новая теория будет описывать частицы, скажем, как маленькие многогранники. Почему бы и нет?