Ученые давно ищут «теорию всего», которая сможет объяснить странности,
происходящие во Вселенной. Теория струн — одна из самых удачных таких
попыток.
Понимаем, что вам хочется сразу получить формулировку и
пойти дальше. Именно с этим запросом приходят большинство читателей,
набравших в поисковике запрос: «теория струн попроще».
Но, к сожалению, это довольно сложная концепция физиков-теоретиков и
математиков, которую они и сами не понимают в полной мере. Одним
предложением тут точно не отделаться. Разве что объяснить вам, что
многообразные элементарные частицы, из которых состоит наш мир, на самом
деле не точки или шарики, а тончайшие струны, колеблющиеся на разных
частотах. Но это слишком упрощенно, поэтому будем рассказывать так, как
полагается каналу «Наука». Приготовьте вашу голову!
История озарения В
1960-е годы молодой итальянец Габриеле Венециано, работающий
физиком-теоретиком в ЦЕРНе в Женеве, искал способ объяснить сильное
ядерное взаимодействие андронов (тогда об андронах знали гораздо меньше,
ведь Большой адронный коллайдер еще не изобрели). В какой-то момент
случилось озарение: ученый вдруг понял, что для объяснения наблюдаемых
процессов подходит так называемая бета-функция — математическая формула,
придуманная еще в 1730 году Леонардом Эйлером, швейцарским математиком,
который полжизни прожил в России. Вскоре обнаружилось, что эта формула
позволяет описать огромное количество данных, накопленных при изучении
особенностей сильного взаимодействия. «Бинго!» — подумал Венециано и
поделился открытием с миром ученых.
Это был лишь первый кусочек
пазла, который еще предстояло сложить другим. Физики Йохиро Намбу,
Холгер Нильсен и Леонард Сасскинд размышляли: почему старинная формула
так легко подошла и какой физический смысл таится в этой сложной
математике? К 1970 году им стало ясно, что сильное взаимодействие
элементарных частиц превосходно описывается с помощью бета-функции
Эйлера, если представлять их в виде крошечных колеблющихся одномерных
струн. Эти невидимые человеческому глазу нити ученые воображали как
замкнутые — в виде колец — и как открытые. Было решено, что длина струн
настолько мала, что их с натяжкой можно рассматривать как точки, а
значит, для фундаментальной физики ничего не изменилось.
Так
возникло понятие «квантовая струна» — под ним подразумевается бесконечно
тонкие одномерные объекты длиной в 10–35 м, колебания которых
воспроизводят все многообразие элементарных частиц. Это была настоящая
революция в мире физики, так как все ранее открытые «ингредиенты
Вселенной» (электроны, протоны, нейтроны и пр.) теперь предлагалось
свести к единой материи: к струнам, поведение которых легко описывается
формулой E = mc2, где Е — энергия, m — масса, с — скорость света в
вакууме.
Струны более массивных частиц совершают более
интенсивные колебания, а струны более легких частиц колеблются менее
интенсивно. В конечном итоге колебания на определенной частоте
определяют свойства струн: массу и электрический заряд, что позволяет
отнести их к определенной разновидности фундаментальных частиц, будь то
кварк, фотон, глюон и др.
От пяти теорий к одной Теория
струн оказалась крепким орешком даже для самых высоколобых ученых. Как
сказал один из ее основоположников, итальянский физик Даниэль Амати:
«Это часть физики XXI века, которая случайно попала в XX век». «А для
решения этой задачи нужна математика XXII века», — шутят ученые в наши
дни.
В 1970-е и 1980-е теория струн была очень популярна. За
нее брались разные ученые, и в результате родилось несколько
разновидностей. Одни авторы придумали гипотетическую частицу — тахион,
которая якобы двигается в вакууме быстрее скорости света. Другие
изобрели суперсимметрию, предположив, что у всех известных элементарных
частиц есть суперпартнеры, что фермионы и бозоны в природе связаны.
Третьи попытались гипотетически подсчитать, сколько измерений может быть
у Вселенной и как они могут быть свернуты. Дело в том, что теория струн
сама по себе требует, чтобы Вселенная, кроме трех привычных
пространственных измерений и одного временного, имела еще как минимум
шесть. Поэтому во многих вариантах фигурировало десять измерений, а
потом пришлось ввести еще одно, чтобы объединить все пять теорий струн в
единую М-теорию, где заглавная М означает «мистическая, материнская,
мембранная, матричная». Сделал это обобщение американский физик-теоретик
Эдвард Виттен. Он, к слову, до сих пор жив и здоров, как и начавший
собирать этот научный пазл Габриеле Венециано.
«Теория струн не
похожа ни на что другое, когда-либо открытое. Это невероятное
разнообразие идей о математике и физике, — восторженно пишет о своем
детище Эдвард Виттен. — Теория струн обладает замечательным свойством:
она предсказывает гравитацию».
Гравитация, о которой догадался
еще Ньютон, никак не укладывалась в стандартную модель физики. Разбирая
мир до микрочастиц, ученым приходилось делать вид, будто нет никакой
силы притяжения между звездами, галактиками, планетами и Солнцем. Теория
струн стала вмиг популярна, потому что она выступила объединяющим
мостиком между квантовой механикой и общей теорией относительности,
которые имели противоречия и никак не могли ужиться друг с другом.
Объяснить все и сразу — это была давняя мечта Эйнштейна и многих других
ученых, осознававших, что существующие теории не решают всех загадок
макро- и микромира. Некоторые даже думали, что все законы физики
возможно объяснить одним уравнением — осталось лишь догадаться, что это
за формула. Почти приблизились к этому Джоэль Шерк и Джон Шварц. Позже
они с обидой говорили, что теория струн изначально потерпела неудачу
потому, что физики недооценили ее масштаб.
Игры нашего разума Какая
польза от этих знаний, спросите вы? Ну, во-первых, она раздвигает
границы воображения. Люди задумались над тем, что мир может быть устроен
совсем не так, как кажется: возможно, Вселенная суперсимметрична и
имеет 11 измерений. Не исключено, что есть частицы, которые еще не
открыты и мы о них не догадываемся.
Теория струн — это лишь
теоретическая физика, отталкивающаяся от математических расчетов и
родившаяся из любопытства ученых, любящих задавать вопрос «А что,
если?..» Проверить ее эмпирическим путем до сих пор не удается — для
этого следовало бы построить огромный ускоритель размером с галактику.
Несколько досадных нестыковок и противоречий мешают ее сторонникам спать
по ночам и восклицать на публику: «Осанна! Мы наконец-то объяснили
все!» Если бы концепция струн сработала, физики-теоретики имели бы
полное право покинуть свои пыльные кабинеты и оставить профессию за
ненадобностью.
Материалы публикуемые на "НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ" это интернет обзор российских и зарубежных средств массовой информации по теме сайта. Все статьи и видео представлены для ознакомления, анализа и обсуждения.
Мнение администрации сайта и Ваше мнение, может частично или полностью не совпадать с мнениями авторов публикаций. Администрация не несет ответственности за достоверность и содержание материалов,которые добавляются пользователями в ленту новостей.
