Теория струн. В попытке объяснить Вселенную

На протяжении десятилетий эта теория переживала периоды большой популярности и полного забвения. Но… что именно гласит эта теория?

Теория струн. Объяснение окружающего нас мира

Чтобы объяснить, что такое теория струн, необходимо для начала совершить небольшое путешествие в прошлое. А конкретно —  в 1919 год. Именно в этом году нам нужно найти немецкого физика Теодора Калуцу. Это имя может быть Вам неизвестно, но именно у этого человека впервые возникла идея, которая априори звучала довольно безумно: Вселенная может иметь более трех измерений!

Как же пришел ученый к такому выводу? Для того чтобы найти ответ на этот вопрос, нам нужно вернуться еще на несколько лет назад. В 1907 год. И обратить внимание на работы Альберта Эйнштейна. В начале прошлого века этот великий физик выдвинул свою знаменитую теорию относительности (позже получившую прилагательное «специальная»). Но, несмотря на популярность этой теории, она никак не объясняла гравитационные взаимодействия.

Поэтому Эйнштейн начал искать другой подход. Он очень хотел понять, как работает гравитация. Ведь как так может быть, что Солнце, находясь за 150 миллионов километров от Земли, способно оказывать на нашу планету воздействие своей гравитацией? Как оно передает ее через пустое и инертное пространство?

Пространство-время и его кривизна

И однажды Эйнштейна осенило! Если есть что-то, что имеет массу, то оно просто искривляет пространство! Эта кривизна и передает силу тяжести. То же самое происходит и с Землей.

Идея Эйнштейна была элегантной. И она действительно работала. Это открытие сделало физика одним из величайших ученых новейшей истории.

Открытие, совершенное Эйнштейном заставило Калуцу задуматься. Ведь и он, и Эйнштейн разрабатывали теорию всего. Это теория, способная описать все фундаментальные взаимодействия во Вселенной. Что-то вроде самого главного уравнения. Ключ от всех дверей, если можно так выразиться.

Теодор Калуца ​​понял, что Эйнштейн смог описать гравитацию как набор кривых линий и деформаций в пространстве-времени. И попытался сделать то же самое с другой силой, которая была известна в то время: электромагнитной. Калуца ​ считал, что может сделать то же самое: объяснить электромагнитную силу кривыми и деформациями.

Электромагнитная сила как кривая

Но в чем именно? В какой среде? Эйнштейн уже использовал пространство-время для объяснения гравитации. Что же могло нести ответственность за передачу электромагнитной силы? Ведь под рукой больше ничего не было. И тогда Калуца ​​предположил, что это могут быть дополнительные измерения. Другими словами, чтобы описать еще одну силу, он добавил во Вселенную еще одно измерение. Таким образом она стала иметь четыре физических измерения и время. Которые физики рассматривают как еще одно измерение.

Любопытно, но когда Калуца начал писать уравнения, объясняющие кривые и деформации в четырехмерной Вселенной, он вывел те же уравнения, что Эйнштейн вывел для гравитации. Получалось, что электромагнитная сила описывалась в четырехмерной Вселенной так же, как описывалась гравитация в трехмерной. Хм.

По этому поводу Вы можете задаться двумя вопросами. Первый звучит так: если у Вселенной больше измерений, чем три, то где они? Ведь мы не видим их вокруг себя. Второй вопрос: работает ли эта теория, если мы применим ее в деталях ко всему, что нас окружает? Ответ на первый вопрос пришел через несколько лет, в 1926 году. Его сформулировал шведский физик Оскар Клейн. Он предположил, что может быть два типа измерений. Некоторые из них большие и легко просматриваемые. Другие — намного меньше. Они скручены и свернуты сами в себя.

Маленькие и незаметные

По мнению Клейна, эти измерения являются настолько маленькими, что несмотря на то, что они находятся повсюду вокруг нас, мы просто не можем их увидеть. Такие рассуждения могут показаться трудными для понимания, однако все же они имеют смысл. Давайте попробует это понять.

Представим, что у нас есть некий кабель, висящий над полем на каких-то подпорках, который мы наблюдаем издалека. Мы можем без труда сказать, что с нашей точки зрения этот кабель — одномерный объект. Который имеет только длину. Однако на самом деле это не так. Ведь в реальности у него есть и другой параметр — диаметр. И площадь поверхности он тоже имеет. И для, например, муравьев эти параметры вполне осязаемы. Для этих милых маленьких существ кабель — это полностью трехмерный объект.

Примерно так работает идея Клейна. Только в масштабе намного меньшем, чем мы можем себе представить.

Итак. Если бы Вы были невероятно маленьким муравьем, то могли бы спуститься в наименьшую шкалу пространства-времени. И увидеть там эти дополнительные измерения, свернутые в спираль. Таким образом, ответ на первый вопрос может показаться вполне правдоподобным.

Но как насчет другого вопроса? Сработает ли идея Калуцы, если применить ее к реальному миру? В те времена, когда над теорией всего работал Клейн, получалось, что ответ этот вопрос — нет. Используя те знания, которые были тогда у ученых, благодаря работам Калуцы, Эйнштейна и других исследователей вдруг обнаружилось, что исследователи не могут установить такие вещи, как, например, масса электрона. В результате подобных досадных неудач вся идея объяснения Вселенной с помощью единой теории канула в лету. Это произошло в 1940-х годах прошлого века.

Теория струн. Возрождение

Однако в абсолютное забвение она не попала. В последние десятилетия 20-го века она снова появилась. Но уже в другой форме. Под названием «теория струн». Новая теория пошла немного дальше, чем теория Калуцы. Ученые (мы говорим об ученых нашего времени, таких как Брайан Грин, которые работают в этой области) задали себе относительно простой вопрос — чем является самый мельчайший неделимый элемент материи, из которой состоит весь мир вокруг нас? Проведем мысленный эксперимент.

Представим, что у нас каким-то волшебным образом появился футбольный мяч. И мы наблюдаем его в минимально возможном масштабе. То есть спускаемся вниз до уровня атомов. Вы наверное знаете, что атомы — не самая маленькая единица, которую мы можем наблюдать. И они состоят из еще более мелких частиц. Это фермионы и бозоны. Протон, например, состоит из трех фермионов. В данном случае это два так называемых верхних кварка и один нижний кварк. Нейтрон состоит из одного верхнего кварка и двух нижних кварков. А из чего состоят эти кварки? Никто не знает. Дело в том, что физикам не удалось разделить кварк на какие-то части. Другими словами, в этом месте заканчивается все, что мы знаем.

Из чего состоят кварки?

И все же кварки должны из чего-то состоять? И если это так, то где, на каком уровне находится то, что уже нельзя разделить? А почему, собственно, это нельзя разделить?

На все эти вопросы можно получить ответ. Так говорит теория струн. Она продвигает нас на один шаг вперед к пониманию природы этого мира. И утверждает, что внутри кварков есть нечто вроде колеблющейся энергетической нити. По сути — это струна.

И эти струны, похожие на струны музыкального инструмента, могут вибрировать по-разному. И точно так же, как струна музыкального инструмента воспроизводит разные музыкальные ноты, разные колебания этих струн производят разные частицы, из которых состоит все во Вселенной. На этом микроскопическом уровне эти струны и есть основа Вселенной.

Это очень красивая теория. И если она работает, это означает, что и частицы материи, и частицы фундаментальных сил имеют одно и то же происхождение. И у всех них есть общие вибрирующие струны.

Математика теории струн не работает в трехмерной Вселенной. И не работает в четырехмерной, как та, что исследовал Калуца. Ни с пятью, ни с шестью, ни с семью измерениями она тоже не работает. Что бы все сложилось как надо, необходимо десять физических измерений. И одно временное. Это единственная Вселенная, в которой работает теория струн.

Если Вам трудно представить себе четыре физических измерения, я предлагаю не пытаться представить десять. От этого только будет болеть голова.

Теория струн. Ключ от всех дверей

Что дает человечеству эта элегантная теория? Если теория струн верна, она может позволить нам использовать червоточины для путешествий в другие вселенные. (Хотя это под большим вопросом). В очень отдаленном будущем она могла бы позволить нам пережить гибель нашей Вселенной. Как? Теория струн может дать нам возможность отправиться в другую Вселенную. В далеком будущем, когда наш космос умрет, жизнь сможет двигаться дальше. Она продолжит существовать в новом космосе, отличном от того, который мы знаем.

Теория струн пока является всего лишь теорией. И на ее подтверждение могут потребоваться десятилетия. Или даже века. Но если она окажется верной, это поможет нам существенно продвинуться в нашем понимании этого мира.

Пожалуйста подпишись, поделись с друзьями, поддержи сайт!

Читайте дальше Почему в исламе и иудаизме запрещено употреблять свинину

Будет интересно Ученые разработали прототип литий-ионной батарейки с водой в качестве электролита

Невероятная история Что такое темная энергия в космосе и чем она отличается от темной материи

Расследование На Земле есть мир, менее изученный, чем космос и имя ему Океан, так что же мы узнали про земные глубины за 10 лет

Только у нас — Почему России лучше не слезать с «нефтяной иглы»

Также Весь космос пронизывают быстрые радиовсплески. Почему астрофизики хотят разгадать их тайну

Интересная история В Антарктиде началось бурение самого старого ледяного шельфа с целью изучить древний климат Земли

Смотрите наш канал на ютубе — https://www.youtube.com/channel/UCi9ynnWGrHL5T19xnXUgi7g?view_as=subscriber