В теории струн изначально элементарные частицы выглядели только точками — безразмерными формами с конкретными свойствами. Гипотеза струн детально описывает их как некие нити энергии, у которых есть всего один параметр — длина. Эти одномерные элементы в физике назвали квантовыми струнами.
Квантовая теория струн. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ">
Рисунок 1. Квантовая теория струн. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Квантовые струны очень малы, ведь их длина не больше 10 в минус 35 степени см. Это в сто миллиардов раз меньше движущихся протонов, которых ученые сталкивают на Большом коллайдере. Для аналогичных экспериментов со струнами необходимо построить ускоритель, размер которого превышал бы галактику. Пока не удалось найти метод обнаружения струн, но посредством математических формул возможно предположить некоторые их основные свойства.
Согласно квантовой гипотезе, струны бывают:
- открытыми – предполагают свободные концы;
- закрытыми - замыкаются друг на друге, образуя петли.
Струны систематически «открываются» и «закрываются», а затем уже соединяются с другими элементами и распадаются на более мелкие частицы.
Вибрация струн в квантовой физике
Вибрация струн – это особые колебания, которые похожи на колебания звуков балалайки, с целым показателем количества максимумов и минимумов, которые формируются посредством равномерных волн.
При таком явлении квантовая струна не способна издавать звуки, так как в масштабах элементарных веществ просто нечему передавать подобные колебания. В результате струна сама становится частицей: начинает вибрировать с одной частотой — кварк, с другой — фотон, с третьей — глюон. Поэтому исследуемый квантовый инструмент — это единственный строительный «кирпичик» нашей вселенной.
Галактику зачастую изображают в виде звезды или космоса, но это и наша планета, и люди, и текст на мониторе, и деревья в лесу. Итак, в основе вселенной первостепенно находятся квантовые струны, односторонние вибрирующие нити энергии, которые меняют форму и размер, а затем обмениваются энергетической силой с другими струнами. Однако это не все.
Квантовая теория струн предполагает, что абсолютно все тела перемещаются в пространстве. И эта протяженность в рамках данного механизма — самая интересная и малоизученная часть гипотезы. Первые формулы теории струн предоставили ученым странные результаты. В них возникали тахионы — вещества с отрицательной массой, движущиеся быстрее скорости света. Здесь и понадобилось предположение Калуцы о многомерности нашей вселенной.
Правда, ни пяти, ни шести измерений исследователям не хватило, в итоге математика первой гипотезы струн обрела смысл, только если в галактике будет 26 измерений. Более поздним идеям хватило десяти, а в современной их выделяют одиннадцать — время и десять пространственных.
Но если все так на самом деле, тогда почему люди не могут разглядеть дополнительные семь измерений? Ответ достаточно прост — их размер очень маленький. Издалека объемный элемент кажется плоским: водопроводная массивная труба покажется лентой, а воздушный шарик — небольшим кругом. Даже если бы ученые могли увидеть предметы в иных измерениях, то не смогли бы рассмотреть их многомерность. Этот эффект в науке называется компактификацией.
Две революции квантовой теории струн
Изначально квантовую гипотезу струн вообще не считали кандидатом на объединение физики. Ее и открыли совершенно случайно. В 1968 году молодой ученый-теоретик Габриэле Венециано исследовал сильные взаимодействия внутри линий атомного ядра. Внезапно он обнаружил, что их детально можно описать посредством бета-функции Эйлера — набор универсальных уравнений, которые еще в 1768 году создал швейцарский математик Леонард Эйлер. Это было немного странно: в те времена атом считался абсолютно неделимым, а научный труд Эйлера был направлен исключительно на решение математических задач.
Первая суперструнная революция состоялась в начале 1984 года. Майкл Грин и Джон Шварц представили общественности и научному миру уникальную математическую модель, демонстрирующую многие противоречия между гипотезой струн и стандартной моделью, которые возможно легко устранить. Новые формулы связали квантовую теорию струн со всеми видами энергии и материи. В итоге началась «лихорадка» — исследователи бросали свои эксперименты и переключались на изучение таких многогранных элементов.
С 1984 по 1986 года в научной среде было написано более тысячи работ, которые описывали принципы и методы теории струн. Они показали, что многие положения теории гравитации, естественным образом вытекают из струнной физики. Многочисленные опыты убедили ученых, что объединяющая и комплексная теория не за горами.
Вторая суперструнная революция имела место быть в конце 1995 года. Конец застою положил громкий доклад Эдварда Виттена, который был представлен на конференции по идеям струн на территории Южной Калифорнии. Физик убедил всех, что все пять теорий — это всего лишь частные случаи одной, общей гипотезы суперструн, в которой не десять измерений, а одиннадцать. Объединяющую теорию Виттен назвал Матерью всех теорий.
Но важнее было совершенно другое. М-теория Виттена так хорошо и детально описывала эффект гравитации в квантовой теории струн, что ее начали называть самой симметричной идеей свойств гравитации.
Это воодушевило многих исследователей, и научные издания вновь начали писать о струнной физике.
Основные постулаты теории струн
Не каждый человек сможет стать знатоком квантовой теории струн, однако любой в силах запомнить главные постулаты изучаемой системы:
- вселенная включает в себя нити энергии — квантовые струны, вибрирующие, как струны музыкальных инструментов, а различная частота вибрации трансформирует их в разные частицы;
- концы струн могут быть свободны и закрытыми, так как данные элементы все время замыкаются, размыкаются и обмениваются энергетическим потенциалом с другими струнами;
- квантовые струны существуют в 11 измерениях, которые свернуты в неуловимые для глаз малые формы пространства и времени, поэтому люди их видеть не могут;
- если бы ученые смогли узнать, как именно свернуты все измерения в нашей вселенной, то могли бы легко путешествовать во времени и к другим планетам, однако, на данный момент этого добиться нереально - слишком много вариантов необходимо перебрать;
- гипотеза струн вскоре может объединить в одно целое все физические теории и открыть общественности тайны мироздания — для этого есть все важные предпосылки, но пока нет фактов;
- из идеи струн логически следуют другие открытия современной физики;
- струнная физика пережила две главные революции и многолетние периоды собственного забвения: одни исследователи считают ее фантастикой, другие же верят, что новые технологии в итоге помогут ее доказать.
В ходе рассмотренной темы можно сделать единственный вывод: главная проблема квантовой теории струн заключается в отсутствии прямых доказательств. Да, из нее постепенно вытекают другие гипотезы, физики складывают 2 и 2, и получается 4. Но это вовсе не значит, что четверка включает в себя только двойки. Эксперименты на Большой адронном коллайдере не смогли на сегодняшний день обнаружить суперсимметрию, что подтвердило бы комплексную структурную базу вселенной и сыграло бы на руку представителям струнной физики. Но нет и явных опровержений. А потому элегантные математические уравнения теории струн продолжают будоражить умы ученых, обещая предоставить разгадки всех тайн нашего мироздания.
