Три измерения (и больше): Теория струн

Как заявляют приверженцы теории суперструн, она может соединить три силы, каковые руководят микромиром, – электромагнетизм, ядерную силу и не сильный сотрудничество, и растолковать элементарные частицы (кварки, глюоны и т. д.). Существование тяготения – в действительности основной компонент данной теории, а не дополнительное препятствие, с которым нужно бороться. Ключевая мысль пребывает в том, что фундаментальные сущности нашей Вселенной – это не точки, а маленькие петли струн, наряду с этим разные частицы в ядра атома – это различные типы вибраций – различные гармоники – этих струн. Струны имеют масштаб планковской длины; иначе говоря они на довольно много порядков меньше тех размеров, каковые мы можем изучить. Более того, эти струны вибрируют не в привычном нам пространстве из 3+1 измерений, а в десятимерном пространстве.

Мысль существования дополнительных измерений не нова. Еще в 1920-х гг. Теодор Калуца и Оскар Клейн пробовали увеличить теорию пространства-времени Эйнштейна, введя в нее электрические силы. Они стремились представить себе электрические поля и движение частиц, додавая дополнительную структуру к каждой точке простого пространства. Дополнительное измерение было «закручено» в маленьких масштабах и никак не проявляло себя для нас, так же как весьма туго свернутый лист бумаги выглядит как существующая в одном измерении линия, не смотря на то, что в действительности есть двумерным. Теория Калуца – Клейна столкнулась с трудностями, но само понятие дополнительных измерений позднее с пафосом возвратилось. В теории суперструн любая «точка» простого пространства – сложная геометрическая структура в шести измерениях, свернутая в масштабе планковской длины.

Все физические теории имеют уравнения и формулы, обрисовывающие техническую сторону дела (но, к счастью, не ключевые идеи) и непонятные для неспециалистов. Но в целом математическая база уже создана и возможно «взята с полки» физиками. К примеру, геометрические понятия, каковые Эйнштейн применял в своей теории «искривленного пространства-времени», были созданы еще в XIX в. То же самое возможно сказать и о математическом языке, благодаря которому описывается квантовый мир. Но суперструны задают задачи, каковые сбивают с толку математиков. Скажем, имеется ли какая-то особенная обстоятельство, по которой Вселенная в итоге остановилась на четырех «развернутых» измерениях (время и три пространственных измерения), а не на каком-то другом числе? Природа нашего мира и силы, управляющие им, абсолютно зависят от того, как «запакованы» дополнительные измерения. Как это произошло и имеется ли другие варианты того, как это могло быть?

Теории суперструн в первый раз привлекли интерес в 1980-х гг. (не смотря на то, что идеи появились на пара десятков лет раньше), и с того времени они поглотили усилия целой когорты прекрасных знатоков математической физики. Первоначальный весёлый энтузиазм сменился периодом разочарования из-за приводящей в замешательство сложности теории. Но с 1995 г. у суперструн началась «вторая жизнь». Ученые осознали, что дополнительные измерения смогут «упаковываться» всего в пять разных классов шестимерного пространства. На более глубоком математическом уровне они смогут быть поделены, но связанные структуры встроены в 11-мерное пространство. Более того, понятие струн (одномерных сущностей) возможно расширено до двумерных поверхностей (мембран). В действительности в 10-мерном пространстве смогут быть поверхности с бо?льшим числом измерений: иначе говоря в случае, если двумерную поверхность назвать 2-браной (Бра?на (от мембрана) в теории струн – гипотетический фундаментальный многомерный физический объект размерности, меньшей, чем размерность пространства, в котором он находится (протяженная p-мерная мембрана, где p – количество пространственных измерений). – Прим. пер.), существует и 3-брана, и т. д. Однако так же, как и прежде существует непреодолимая пропасть между замысловатой сложностью 10-мерной теории струн и любым явлением, которое мы можем замечать либо измерить.

Ранее уже бывали случаи, когда теории принимали серьезно, кроме того в случае, если у них не было прямой эмпирической поддержки, особенно в тех случаях, в то время, когда казалось, что они имеют неповторимую элегантность и правильность, – отдающаяся эхом часть истины, которая заставляет соглашаться. К примеру, в 1920-х гг. многие физики приняли ОТО (Общая теория относительности) Эйнштейна из-за ее прекрасной содержательной концепции. на данный момент она подтверждена правильными наблюдениями, но в начале своего существования доказательства были весьма скудными. Самого Эйнштейна больше впечатляла элегантность его теории, а не какие-либо опыты. Подобным же образом Сейчас Эдуард Виттен, которого на данный момент признают интеллектуальным фаворитом в области математической физики, заявил, что «хорошие неправильные идеи очень редки, а хороших неправильных идей, каковые могли хотя бы соперничать в величии с теорией струн, по большому счету никто не видел».

Однако имеется особенные обстоятельства, не связанные с красотой, чтобы испытывать оптимизм по поводу суперструн. Во-первых, это ОТО (Общая теория относительности) Эйнштейна, в которой тяготение понимается как искривление в четырехмерном пространстве-времени, а эта теория неизбежно встраивается в теорию суперструн. Долго являвшийся предметом поиска синтез между тяготением и квантовыми правилами, так, должен появиться естественным методом.

Кроме этого эта теория уже внесла предложение более глубокое познание черных дыр. Эта история восходит к началу 1970-х гг. Якоб Бекенштейн, израильский физик, работавший в Принстонском университете, обдумывал последствия недавнего для того времени открытия, что черные дыры (The Black Hole) являются унифицированными объектами. Это подразумевало, что они теряют любую память о том, как были сформированы. Казалось, существует огромное количество способов, которыми черные дыры (The Black Hole) смогут добывать себе стройматериал – в них смогут провалиться осколки, планеты, газ а также космические суда, – но какие-либо следы этих историй смотрелись абсолютно стертыми. Бекенштейн увидел, что это напоминает рост энтропии, который происходит при смешении двух газов: множество вероятных первоначальных состояний ведут к неразличимой структуре в конце. Утрата информации соответствует повышению энтропии, и Бекенштейн пришел к выводу о том, что черная дыра может иметь энтропию, которая есть мерой количества всех разных дорог, которыми она могла быть образована. В случае, если Бекенштейн был прав, то черные дыры (The Black Hole) должны кроме этого иметь температуру, и его мысль была поставлена на более прочное основание, в то время, когда Хокинг в действительности вычислил, что черные дыры (The Black Hole) не являются абсолютно тёмными, а испускают излучение. (Это излучение есть через чур не сильный, дабы его возможно было измерить, но возможно серьёзным, в случае, если окажется, что мини-дыры размером с атом действительно существуют.)

Теории суперструн, каковые обрисовывают структуру пространства в планковских масштабах, разрешили сделать еще одно открытие. Американский физик Эндрю Строминджер в 1996 г. доказал, что черные дыры (The Black Hole) (пускай кроме того одного определенного вида) смогут быть представлены как собранные из элементов масштаба струн, а заодно продемонстрировал, как вычислить количество «перестроений» этих маленьких строительных кирпичиков, каковые ведут к той же самой дыре. Это число точно согласуется со значением энтропии, вычисленным Бекенштейном и Хокингом. Это, само собой разумеется, не эмпирическое подтверждение, но оно повышает нашу уверенность в теории, потому, что расчеты основаны на более классической физике и она углубляет наше проникновение в загадочные свойства черных дыр.

Еще одна надежда – не смотря на то, что в настоящее время она более противоречива и менее твердо обоснована – это надежда на то, что суперструны смогут оказать помощь проникнуть в тайны квантов. Ричард Фейнман заявил, что «никто по-настоящему не понимает квантовую механику». Она работает как по мановению чудесной палочки, большая часть ученых используют ее практически не задумываясь, но у нее имеется свои «призрачные» стороны, о каковые многие мыслители, начиная с самого Эйнштейна, «разламывают зубы». Тяжело поверить, что мы уже достигли оптимального ее понимания.

Кроме того в случае, если мы не можем конкретно изучить планковские величины, кое-какие черты физического мира, который мы можем замечать, – к примеру, особенная обстановка, заключающаяся в том, что в микромире присутствуют три главные силы, особенные виды частиц и т. д., – смогут «выплыть» из теории суперструн, как, по всей видимости, и теория тяготения Эйнштейна. В случае, если это произойдёт, мы сможем быть абсолютно уверены во всей математической конструкции. Теория суперструн, может предложить безграничную теорию мультивселенной.