На острие физической науки: теория суперструн и что из нее следует.

Сегодня я хочу поделиться с вами размышлениями на одну очень для меня интересную тему. Эти размышления затронут некоторые вопросы современной физики, поэтому начну издалека.

В начале 20 века старые научные положения были низвергнуты - Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, в которой предложил новые трактовки пространства, времени и гравитации.

Работы Эйнштейна дали новое направление научному поиску, и многие физики задались вопросом - а может быть гравитация и электромагнетизм связаны?

В 1919 году малоизвестный польский математик Теодор Калуца дал очень странный ответ на этот вопрос.

Он ввел в математическое уравнение Эйнштейна дополнительное измерение и получил очень неожиданный результат.

Оказалось, что при добавлении еще одного измерения в уравнении Эйнштейна появляется новый дополнительный член.

И этот дополнительный член представляет собой ни что иное, как уравнение Максвелла, полученное в 1860-х годах и описывающее электромагнитное взаимодействие.

Таким образом, Калуца обнаружил, что гравитация и электричество глубоко связаны между собой и вытекают одно из другого. Но при одном условии - в нашем трехмерном пространстве существуют еще одно какое-то дополнительное пространство.

Калуца предположил, что это пространство свернуто, поэтому мы его не видим.

Когда Калуца отослал свою статью с расчетами Альберту Эйнштейну, но мысль о том, что в нашем трехмерном мире могут существовать еще какие-то дополнительные пространства, оказалась чрезмерной даже для Эйнштейна.

Только через два года после получения статьи, все хорошенько пересчитав и обдумав, Эйнштейн согласился с Калуцей.

Но, несмотря на то, что идея была прекрасной, последующий анализ гипотезы Калуцы показал, что она находится в противоречии с экспериментальными данными.

Простейшее попытки включить в эту теорию электрон приводили к предсказанию такого отношения массы

электрона к его заряду, которое существенно отличалось от реально измеренных значений.

Т.к. в то время способов разрешить эту проблему не было, то большинство физиков потеряли интерес к гипотезе многопространнственной Вселенной, предложенной Калуцей.

Действительно, в то время и так хватало новых задач - шло становление квантовой механики, и большинство физиков было поглощено изучением основных законов микромира.

Теория направляла эксперимент, а эксперимент подправлял теорию - бурное развитие физики элементарных частиц продолжалось около полувека и вылилось в ядерную бомбу, атомные электростанции и атомные подводные лодки.

Но к началу 1970-ых были в основном закончены разработки стандартной модели физики элементарных частиц, к началу 1980-ых - многие предсказания получили экспериментальное подтверждение.

Было доказано родство трех из четырех известных видов взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное).

Как показали расчеты, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия в некоторый момент существования Вселенной были одним видом и только позже, по мере остывания вещества Вселенной, по родственному разошлись.

У физиков появилось чувство, что все в основном уже открыто, ответы на большинство важных вопросов уже получены и осталось доработать только некоторые детали и мелочи.

Однако, как это обычно и бывает, впереди замаячила неожиданная проблема. Оказалось, что две важнейшие физические теории (теория относительности и квантовая механика), многократно доказавшие свою состоятельность на практике, никак между собой не состыковываются. Попытки вывести общие уравнения для этих теорий приводили к бессмысленному результату.

Долгое время физики старались не замечать противоречия этих двух современных фундаментальных теорий.

Действительно, физики, изучавшие микроскопические объекты, атомы и ядерные процессы, использовали только уравнения квантовой механики.

Физики, работавшие с гигантскими и массивными объектами Вселенной, изучавшие движение планет и светил, процессы,

происходящие в звездах и т.п. - использовали уравнения теории относительности.

Но единой теории, объединяющей законы микромира и макромира, не было. Всегда применялась либо одна теория, либо другая.

Однако со временем стали появляться задачи, требующие объединения этих подходов, например, при исследовании процессов в черных дырах или в момент Большого Взрыва, когда огромные массы сжаты до микроскопических размеров.

Это экстремальные объекты - они и чудовищно массивны, и крошечно малы.

Физики приняли этот вызов и начали искать то, что можно назвать "всеобщая теория всего".

Первым на эту непроторенную дорогу ступил Альберт Эйнштейн в далекие 1930-ые годы. Он отдал 30 лет своей жизни попытке разработать Единую Теорию Поля, в рамках которой пытался объединить электричество и гравитацию и показаться, что эти два вида взаимодействий представляют собой проявление одного и того же фундаментального принципа.

Эйнштейн опередил свое время. В то время, когда он жил, еще не было известно сильное и слабое взаимодействие, поэтому он так и не смог выстроить Единую Теорию Поля.

Больше того, его поиски в то время были мало понятны большинству физиков - почти все из них были

озабочены разработкой новой дисциплины - квантовой механикой.

Эйнштейн отдал на создание единой теории поля не только половину своей жизни, но и политическую карьеру - его, как одного из самых активных поборников создания государства Израиль, приглашали стать первым президентом Израиля.

Он отказался от этого предложения только для того, чтобы продолжить заниматься физикой.

Очень не многие люди способны во имя своего любимого дела отказаться от поста президента страны.

Однако, несмотря на то, что одинокий поход Эйнштейна на единую теорию не завершился успехом, он дал мощный импульс научному поиску в этом направлении.

Сейчас, спустя полвека, можно с уверенностью сказать, что мечта Эйнштейна об универсальной физической

теории сбылась.

В середине 1980-ых годов центральная проблема современной физики - конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой - был разрешен в новой физической теории - теории суперструн.

Больше того, теория суперструн показала, что общая теория относительности и квантовая механика необходимы друг другу для того, чтобы теоретические построения приобрели смысл. Оказалось, что союз макромира и микромира не только возможен, но и неизбежен.

Теория суперструн обосновала, что все удивительные события Вселенной - от неистовой пляски субатомных кварков, до величественного кружения двойных звезд, от микроскопического огненного шара Большого взрыва, до гигантских по размерам спиралей галактик - все это может являться отражением одного великого физического принципа, одного главного физического закона.

И этот закон переворачивает наши представления о мире, в котором мы живем.

Но, впрочем, обо всем по порядку.

Начнем с основной идеи теории суперструн. Из школьного курса физики мы знаем, что все материальные тела состоят из атомов.

Большинство из нас помнит модель строения атома, похожую на солнечную систему, модель, где вокруг атомного ядра (состоящего из протонов и нейтронов) по орбитам роем кружатся электроны.

В течение некоторого времени многие физики считали, что протоны, нейтроны и электроны являются конечными, неделимыми элементами вещества.

Однако эксперименты, проведенные в 1968 году, продемонстрировали, что протоны и нейтроны состоят из частиц еще меньшего размера - кварков.

В итоге современная физика считает, что все вещество Вселенной состоит из кварков и электронов.

Теория суперструн идет дальше и предполагает следующее.

Если бы могли с высокой точностью, намного порядков превышающей наши современные технические возможности, исследовать частицы, из которых состоит Вселенная (кварки и электроны), то мы бы обнаружили, что каждая частица является не крошечным точечным объектом, а вибрирующей петлей.

Каждая элементарная частица, согласно теории суперструн, состоит из колеблющегося и тонкого (бесконечно тонкого) волокна, которое физики и назвали струной.

На рисунке 1 я привел картинку, поясняющую эту идею.

Рис.1. Вибрирующие струны составляют все частицы вещества.

Итак, допустим, что мир состоит не из точечных объектов, а из пляшущих волокон - струн. В этом случае струны имеют разные периоды колебаний: электрон представляет собой один вид колебаний, u-кварк - другой тип, нейтрино - третий тип и т.п.

Тогда мир оказывается чем-то на подобии звучащей симфонии - каждая частица звучит на своей "ноте".

Такая, вроде бы, небольшая замена точечных частиц на вибрирующие струны позволила устранить основное противоречие современной теоретической физики - противоречие между квантовой механикой и общей теорией относительности.

Теория суперструн не вносит никаких радикальных изменений в существующие законы физики, и это большой плюс, потому что эти законы проверены экспериментально.

Однако теория суперструн вносит существенные дополнения в наше понимание реальности.

Так известно, что у каждого взаимодействия есть своя частица с помощью которого это взаимодействие переносится. Электромагнитное взаимодействие переносится фотонами, сильное взаимодействие - глюонами, слабое - бозонами.

Однако чем переносится гравитация? Почему наши ноги твердо стоят на земле? Почему планеты не улетают от Солнца? Может быть гравитационное взаимодействие тоже переносится частицами?

Физики предположили, что такая частица существует, и назвали ее гравитоном.

Каково же было удивление ведущих теоретиков, когда в молодой теории суперструн была теоретически получена частица, обладающая нулевой массой и двойным спином (именно такими характеристиками и должен был обладать гравитон). С этого момента и началось широкое признание теории суперструн.

На сегодняшний день у теории суперструн есть следующие теоретические достижения:

- она открыла путь к построению теории гравитации;

- она позволила объединение в единой математической структуре всех четырех фундаментальных взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное) и показала, что это разные проявления одного и того же физического принципа;

- она дала возможность разрешить большинство парадоксов, возникающих при конструировании квантовых моделей черных дыр;

- она дала новый взгляд на происхождение Вселенной и теорию Большого Взрыва.

Однако, все не так просто. Уравнения теории суперструн дают правильные решения только при одном условии - если наше пространство является 11-мерным!

Т.е. в дополнение к привычному для нас 4-ех мерному пространству-времени (3 - протяженных пространства и 1 - временное), одновременно должны существовать еще 7 протяженных пространств.

Но если наши привычные 4 измерения являются развернутыми, то остальные 7 измерений являются свернутыми и поэтому мы их не видим. Хотя они и существуют в каждой точке нашего пространства.

Больше того, дополнительные пространственные измерения не могут быть свернуты произвольным образом: уравнения теории струн существенно ограничивают геометрическую форму, которую они могут принимать.

Условиям уравнений удовлетворяет один конкретный класс многомерных геометрических объектов - пространство Калаби-Яу (или многообразие Калаби-Яу).

Конечно, изобразить на рисунке это многомерное пространство достаточно сложно, но передать общие черты возможно. На рисунке 2 изображен один из вариантов этого многообразия.

Рис.2. Пример пространства Калаби-Яу.

Согласно теории суперструн, в каждой точке нашего пространства есть семь свернутых измерений, тесно свернутых в форме, показанной на рисунке 2.

Если мы попадем внутрь такого пространства, то окажемся в удивительном мире.

Это не какое-то вздутие внутри нашего привычного пространства, это совершенно особый мир - понятия пространства и времени не имеют в нем привычного смысла. Вы идете налево и попадаете в прошлое, идете направо - в будущее, идете вперед, и оказываетесь сзади.

Струны намотаны на эти свернутые пространства, как нитки намотаны на катушку. Величина этого свернутого пространства равна "планковской величине", т.е. 10 в минус 33 степени сантиметра. Таков же и размер струны.

Добавление этих новых 7 пространств, существующих в свернутом виде в нашем мире, позволило вернуть из забвения идеи Калуцы, о котором я писал чуть выше.

За шесть десятилетий, прошедших с момента появления гипотезы Калуцы, понимание физики значительно изменилось и углубилось.

Современные физики предположили, что первоначальные идеи Калуцы потерпели неудачу только потому, что в 1920-ые годы не было известно ни о сильных, ни о слабых взаимодействиях.

Поэтому Калуца был слишком консервативен в своих предположениях о структуре пространства.

Он ввел всего одно новое измерение, а их оказалось семь. Это и давало неправильные ответы в его уравнениях. Идеи Калуцы о многомерности пространства опередили свое время на 60 лет.

Кроме того, идея суперструн позволила иначе взглянуть и на процесс возникновения нашей Вселенной.

Изначально Вселенная имела "планковский размер" (10 в минус 33 степени сантиметра) и состояла из свернутого 11-мерного пространства.

Все измерения равноправны и полностью симметричны.

На эту поверхность намотаны струны, которые держат этот крошечный 11-мерный комок, как в панцире.

Струны бегают по поверхности в разные стороны и встречаются друг с другом. Если этот процесс идет активно, то колеблющаяся струна может встретить струну, намотанную в другом направлении (анти-струну).

В результате обе струны аннигилируют и образуют ненамотанную струну, которая уже не может выступать в роли сдерживающего панциря.

Если таких встретившихся струн будет много, то некоторые измерения могут перестать сдерживаться и начать расширяться.

Физики показали, что вероятность столкновения двух намотанных струн является высокой только для случая трех пространственных измерений (и одного временного).

Именно поэтому вероятность развертывания только трех пространственных измерений из этого первоначального 11-мерного комка самая высокая.

Возможно, что все так и произошло, и в какой-то момент эти измерения начали расширяться и расширяются до сих пор. Остальные 7 измерений так и остались свернутыми.

Но, что еще интереснее, теория суперструн позволяет предположить существование доисторической Вселенной - Вселенной, существовавшей до точки расширения (Большого Взрыва) и родившей нашу 3-ех мерную Вселенную.

Итак, пришла пора сделать выводы. Если теория суперструн верна, то:

1. Мир намного сложнее, чем мы это себе представляем.

2. В каждой точке нашего привычного пространства существуют крошечные 7-мерные комочки, свернутые в клубки размером в 10 в минус 33 степени сантиметра.

3. Семимерные пространства могут иметь самые различные формы, они допускают самые неожиданные разрывы, проколы, слияния и соединения.

Благодаря этим соединениям можно не проходить весь путь по ткани пространства, а "срезать" этот путь и пройти как по мосту между двумя реками. Семимерные пространства могут выворачиваться и приобретать другую форму (физики это называют "флоп-перестройка").

4. Каждое тело, находящееся в нашей Вселенной (камень на дороге, человек, Солнечная система), одновременно находится и в свернутых пространствах.

Мы постоянно движемся по этим пространствам, проходим сквозь них, не замечая. В этих пространствах не действуют наши привычные представления о пространстве и времени.

Однако, возможно, все это огромное количество свернутых пространств каким-то образом объединено в одно целое, и составляет одно большое свернутое семимерное пространство, охватывающее всю Вселенную.

В некоторых религиозных практиках принято считать, что человек состоит из 7 тел. Возможно, это имеет не только эзотерический смысл, но и вполне физический.

Возможно, что именно наличием 7-мерного свернутого пространства (невидимого нами, но существующего вокруг

нас) могут быть объяснены различные паранормальные явления, пока еще не объясненные наукой.

Однако, пока что теория суперструн так и остается теорией. Он не доказана экспериментально. Энергии, требующиеся для разгона частиц, чтобы получить экспериментальные доказательства этой теории, пока еще не доступны современной физике.

Впрочем, согласно некоторым теоретическим расчетам, струны могут иметь верхний размер не 10 в минус 33 степени сантиметров, а во много раз больше - 10 в минус 16 степени сантиметра.

Конечно, и эта величина очень мала, но она уже хоть как-то сравнима с размером протона (она меньше протона в 1000 раз).

Такая оценка величины струн увеличивает шансы их обнаружения в экспериментах на ускорителях следующего поколения, строительство которых уже начато.