Теория струн и 11 измерений

Физики разработали довольно убедительный сценарий происхождения Вселенной: до Большого взрыва космос представлял собой совершенно симметричную девятимерную Вселенную (или десятимерную, если добавить измерение времени). Но этот вариант был крайне нестабильным, и она раскололась надвое. Одна часть свернулась в плотный маленький шарик на квантовом уровне (порядка 10^-33см, что на 20 порядков меньше диаметра протона), в то время как взрыв заставил другую часть быстро расширяться. Результатом стали два отдельных пространства-времени: малое шестимерное пространство и огромное трехмерное — наша видимая Вселенная.

Обычное вещество состоит из атомов, совмещающих в себе электроны и ядро. Электрон — фундаментальная частица, а ядерные частицы — нейтроны и протоны — состоят из более мелких, известных как кварки.

Теория струн является одной из самых известных и популярных концепций современной физики, но она также одна из самых запутанных. В ее основе лежит идея о том, что наблюдаемые «фундаментальные» частицы Стандартной модели на самом деле не точечные объекты, а крошечные струны.

Как это может быть?

Электрон обычно изображают точкой без внутренней структуры. Эта точка может двигаться только в определенном направлении. Но если теория струн верна, то под чрезвычайно мощным микроскопом можно увидеть, что электрон на самом деле не точка, а крошечная петля струны.

Помимо перемещения струна может по-разному колебаться. Если она колеблется определенным образом, то с расстояния, когда струна уже не различима, видится электрон. Но, если она колеблется каким-то другим образом, тогда можно увидеть фотон или кварк, — различные вибрации порождают все формы элементарных частиц.

Такое представление делает более доступным понимание того, как из единственной базовой структуры могут возникать все известные формы материи и взаимодействующих между собой полей.

Когда теория была впервые разработана в 1970-х годах, нити энергии в теории струн считались одномерными объектами и имели только одно измерение — длину. Так же как частица имеет массу, струна имеет внутреннее натяжение, благодаря которому и происходит вибрация. Эти струны представлены в двух формах: закрытая и открытая. Открытая струна имеет концы, которые не касаются друг друга, в то время как закрытая струна замкнута.

Струны могут вибрировать с разной частотой, создавая поля. Замкнутые струны отвечают за создание массы, то есть гравитационного поля, а разомкнутые — за электромагнитные взаимодействия. Именно поэтому теория струн рассматривается как один из возможных путей к созданию единой теории, способной объяснить основные законы природы.

На первый взгляд может показаться, что число измерений в теории струн выбрано произвольно. Однако это не так. Именно математика привела теоретиков к выводу, что уравнения работают корректно лишь при определенном количестве измерений пространства-времени. В классической версии теории суперструн их оказалось десять: девять пространственных и одно временное.

Позднее исследователи предложили более общую систему, получившую название М-теория. Она позволила объединить несколько версий теории суперструн и привела к появлению одиннадцатимерного пространства. Сегодня именно 11 измерений считают наиболее полной теоретической моделью, хотя никаких экспериментальных подтверждений ее существования пока получить не удалось. Этот новый подход открыл дополнительные возможности для развития теоретической физики, хотя многие его положения сейчас остаются предметом научных дискуссий.

Главная идея заключается в том, что дополнительные измерения появляются не для усложнения картины мира, а потому, что без них теория теряет внутреннюю согласованность. Поэтому число измерений определяется свойствами математических формул, лежащих в основе современной теоретической физики.

Изменяемо ли число измерений?

Может создаться впечатление, что число измерений можно произвольно изменить. Однако математические расчеты говорят об обратном. Если уменьшить или увеличить количество измерений, некоторые формулы начинают приводить к внутренним противоречиям. В таком случае теория перестает правильно описывать свойства элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий.
Именно поэтому теоретики считают число измерений не дополнительным предположением, а необходимым условием существования самой модели. С этой точки зрения дополнительные измерения представляют собой не произвольный выбор автора теории, а неизбежное следствие строгих математических условий.

Мы знаем, что существует два вида фундаментальных частиц: бозоны и фермионы. К первым относятся частицы, которые составляют фундаментальные силы, например, фотон несет электромагнитную силу, глюон — сильную ядерную силу, гравитон —гравитационную. Фермионы составляют материю вещества — электрон или кварк. Первоначальная теория струн описывала только бозоны (бозонные струны и 26-мерное пространство). Но позже в теорию ввели суперсимметрию, чтобы описать не только силы, но и вещество. Теория суперструн предсказывает, что между этими двумя типами частиц существует связь, называемая суперсимметрией. Это означает, что для каждого бозона должен существовать свой фермион и наоборот. Таким образом, М-теория обобщает теорию струн, добавляя суперсимметрию, и описывает 11-мерное пространство, в котором элементарная единица — двухмерная структура или мембрана.

В повседневной жизни человек имеет дело с четырьмя измерениями пространства-времени. Это три пространственные координаты — длина, ширина и высота — а также время, которое определяет последовательность событий и позволяет говорить о прошлом, настоящем и будущем. Именно в таком четырехмерном мире описываются практически все известные физические явления.

Теория струн предполагает существование дополнительных измерений пространства. В классической версии теории суперструн их десять: девять пространственных и одно временное. М-теория идет еще дальше и описывает одиннадцатимерное пространство-время.

Похожую аналогию можно провести и с листом бумаги, по которому движется муравей. Для человека бумага выглядит плоской поверхностью, однако для самого муравья она представляет полноценный мир со своими правилами движения. Аналогично и наше пространство может иметь более сложное устройство, чем кажется на первый взгляд.

Подобные иллюстрации помогают показать пределы человеческого восприятия и принять мысль о том, что реальность может содержать гораздо больше измерений, чем мы способны непосредственно наблюдать.

Какие измерения предполагает теория струн

Следует понимать, что начиная с пятого измерения речь идет не о привычных направлениях движения, а о математических степенях свободы, возникающих в уравнениях теории суперструн. Согласно некоторым версиям теории, эти измерения могут быть свернуты до чрезвычайно малых размеров — порядка длины Планка, составляющей около 10⁻³⁵ метра. По сути, речь идет о масштабах, которые находятся далеко за пределами любых существующих технических возможностей человечества.

Поэтому вопрос о том, сколько измерений существует на самом деле, остается открытым. Сегодня наука может уверенно говорить лишь о четырех измерениях пространства-времени, тогда как существование остальных пока остается научной гипотезой.

Теория струн считается одной из самых красивых и амбициозных идей современной теоретической физики, поскольку она пытается объединить квантовую механику и общую теорию относительности в единую систему. Однако до сих пор она не получила экспериментального подтверждения.

Одним из ключевых предсказаний теории является существование суперсимметрии — связи между бозонами и фермионами. Поиск таких частиц ведется уже много лет, в том числе с помощью Большого адронного коллайдера. Однако на сегодняшний день эксперименты не обнаружили признаков суперсимметричных партнеров известных частиц. Этот факт не доказывает ошибочность теории, однако существенно ограничивает возможности ее экспериментальной проверки в настоящий момент.

Кроме того, существуют и другие подходы к описанию квантовой гравитации. Среди них наиболее известны петлевая квантовая гравитация и различные модели эмерджентного пространства-времени. Пока ни одна из существующих теорий не обладает достаточным количеством экспериментальных подтверждений, поэтому вопрос о фундаментальном устройстве Вселенной остается открытым. 
В современной астрофизике и космологии подобные концепции рассматриваются как интересные инструменты для поиска более глубокого объяснения природы пространства, времени и гравитации.

Тем не менее исследования продолжаются. Даже если теория струн в будущем окажется неполным описанием природы, многие разработанные в ее рамках математические методы уже нашли применение в космологии, квантовой теории поля и исследованиях черных дыр. История науки показывает, что подобные работы нередко приводят к открытиям, значение которых становится очевидным лишь спустя десятилетия.

Теория струн, описывающая почти все известные частицы и силы, может заменить Стандартную модель в физике. Многие ученые верят в нее из-за математической красоты, однако на сегодняшний день нет прямых экспериментальных доказательств того, что теория струн является полноценным описанием природы. В основном это связано с тем, что она все еще находится в стадии разработки. Тем не менее, структура теории струн весьма убедительна, потому что изящно объясняет большинство аспектов Вселенной.

Фото: i.pinimg.com