Теория струн для чайников
Всем привет! Меня зовут Дмитрий Побединский! Я рад приветствовать вас на портале QWRT, где нескучно и интересно можно узнать о науке и технологиях.
Теория струн! Она всех на слуху, это модный тренд в современной науке. Но что же это такое и почему к ней так много внимания? Для начала хочется пояснить, как устроены научные теории. Любая из них - это математическая модель, которая описывает реальность с определенной доли погрешности. Чем-то это похоже на художника, который пишет натюрморт. Он может изобразить на холсте только основные характеристики объекта - цвет, форму, объем... И не уделять внимание более тонким деталям.
Так же, как с одной композиции можно нарисовать несколько разных картин, так же для одного физического явления можно придумать несколько научных теорий. Забавно, но реальные объекты в них могут быть похожи на что угодно: шарики, волночки, стрелочки, палочки. Но согласитесь, это не так важно, если теория будет давать точные результаты и верные предсказания.
На данный момент существуют две очень глобальных, точных теории: общая теория относительности, которая объясняет все свойства гравитации, и квантовая теория поля, объясняющая поведение частиц в микромире. Но есть одна проблема. Общая теория относительности отлично работает на огромных расстояниях. А квантовая теория поля, наоборот, плохо работает на больших расстояниях. И две эти теории, примененные на одинаковом масштабе, противоречат друг другу! Но внутренний голос человека подсказывает, что мир не может быть устроен так. Должна существовать теория, которая одинаково хороша на всех масштабах. Это и будет самое точное описание мира, самый детальный натюрморт вселенной.
И одним из таких вариантов является теория струн. Согласно этой теории в пространстве, на очень-очень маленьких масштабах, в сотни миллиардов миллиардов раз меньших размера протона, возникают полевые колебания, стоячие волны, которые очень похожи на колебания обычной струны. Они, конечно же, несут в себе какую-то энергию, и она, по знаменитой формуле, эквивалентна массе и, соответственно, частице с такой массой. Но это просто математическая абстракция! Она очень хорошо описывает взаимодействия частиц, объясняет, почему у них именно такие массы, почему физические константы именно такие.
И на момент создания теории струн, в начале семидесятых годов, казалось, что именно она может быть универсальным описанием нашего мира. Но в ней оказалось очень много проблем, некоторые из них уже решены. В первой редакции теории струн присутствовала частица с мнимой массой, квадрат которой был отрицательным (тахион). И она могла двигаться быстрее, чем скорость света, что противоречит любым экспериментальным фактам.
Решением этой проблемы было введение суперсимметрии. Дело в том, что все частицы делятся на фермионы (это частицы вещества) и бозоны (это переносчики взаимодействий). Фермионы как бы перекидываются бозонами и, таким образом, притягиваются или отталкиваются. Ну, в общем, взаимодействуют. И пока что никакого соответствия между двумя этими классами не было найдено.
Суперсимметрия провозглашает, что у каждого фермиона есть родственник в мире бозонов, очень на него похожий. И если это так, то никаких частиц с мнимой массой не существует, и проблема отпадает. Теория, учитывающая это, называется "Теория суперструн".
И еще одна хитро решенная проблема. Оказывается, в нашем 4-мерном пространстве теория струн не сходится с квантовой теорией поля. Она адекватно смотрится только в 11-мерном пространстве! Но куда же деваются остальные 7 измерений? Пока что ответ такой: на очень маленьких масштабах они сворачиваются и замыкаются сами на себя. Так что в нынешних экспериментах они не наблюдаются.
Но когда мы решаем одни проблемы, у нас появляются другие. И в 2003 году оказалось, что свернуть эти 11 измерений в привычные нам 4 можно разными способами. И существует огромнейшее количество вариантов, как это сделать. В каждом из них получается разная вселенная. С разными физическими постоянными, разными, там, конституциями, разными размерами бургеров. А в некоторых из них, может быть, даже не будет галстуков-бабочек! Ужас!
Однако эта проблема еще не решена до конца. К тому же, математический аппарат теории струн достаточно сложный. И для многих новых идей этой теории еще даже не существует математических методов, поэтому все приходится придумывать с нуля. Но, пожалуй, самая большая проблема теории струн - отсутствие каких-либо экспериментальных доказательств. Были большие надежды на Большой Адронный Коллайдер и экспериментальное подтверждение на нем, однако никакие опыты к успеху не привели.
Но все же ученые по всему земному шару продолжают работать в этом направлении и решать возникающие проблемы. Действительно, достаточно заманчивой кажется теория, которая может объяснить все!
На этом все! Ставьте лайки, подписывайтесь на наш канал, чтобы не пропустить новые видео, и спасибо за просмотр.