Що таке теорія суперструн?

Що таке теорія суперструн?
Теорія суперструн простими словами

Сьогоднішній Всесвіт розглядається науковцями під дією двох наборів законів – загальної теорії відносності, яка пояснює роботу гравітації, і квантова механіка, яка описує інші три взаємодії всесвіту (сильне ядерне, слабке ядерне і електромагнетизм). Ці закони можна застосовувати до речей великого масштабу – планети, галактики, і до найдрібніших – протонам і нейтронів. Але навіщо природа зробила два окремих набори законів для всесвіту?

Теорія суперструн – це спроба відповісти на два питання: чи існує спосіб об’єднати загальну теорію відносності і квантову механіку, створивши «теорію всього»? Або з чого все складається?

Раніше ми вважали, що будівельними блоками життя є атоми – дрібні компоненти матерії. Але потім виявили набагато дрібніші елементарні частинки, що навіть не можемо їх розгледіти, не змінивши певним чином. Щоб побачити щось, нам потрібно, щоб світло спершу відбилося від об’єкта і потрапило в наші очі, склавши картинку. Світло складається з електромагнітних хвиль, які вільно проходять через елементарні частинки. Ми можемо зробити ці хвилі щільнішими, додати їм енергії, щоб вони вдарили частинки і ми могли побачити їх, але як тільки частинку щось вдарить, вона змінюється, тому побачити її в початковому стані ми не можемо. Ми й гадки не маємо, як виглядають елементарні частинки. Темну енергію, як і темну матерію, тобто ці явища безпосередньо ми не можемо спостерігати, але у нас є підстави вважати, що вони існують.

Ми розглядаємо ці частинки як точки в просторі, хоча насправді вони не є такими. Незважаючи на всі недоліки, цей метод – ідея квантової механіки про те, що сили переносяться частинками – дає нам непогане уявлення про всесвіт і призводить до проривів на кшталт квантових розчинників і поїздів на магнітній левітації. Загальна теорія відносності (ЗТВ) сама по собі теж пройшла хорошу перевірку часом, пояснюючи нейтронні зірки і аномалії орбіти Меркурія, пророкуючи чорні діри і викривлення світла. Але рівняння ЗТВ, на жаль, перестають працювати в центрі чорної діри і напередодні Великого Вибуху. Проблема в тому, що звести їх разом не виходить, тому що гравітація пов’язана з геометрією простору і часом, коли відстані вимірюються точно, але в квантовому світі виміряти щось немає ніякої можливості. І коли вчені спробували винайти нову частинку, яка одружила б гравітацію з квантовою механікою, їх математика просто дала збій. У певному сенсі довелося повернутися до шкільної дошки. Тому вчені припустили, що дрібні компоненти всесвіту – це не точки, а струни. Різні коливання цих струн створюють різні елементарні частинки на зразок кварків. Вібруючі струни могли б скласти всю матерію і всі чотири сили у Всесвіті, включаючи гравітацію.

Але у теорії суперструн є свої «але» – вона не спрацює, якщо припустити, що існує тільки три просторових виміри і один часовий, в яких ми живемо. Теорія струн вимагає, щоб в грі було не менше десяти вимірів.
Коли ЗТВ була вперше задумана, гравітація спотворювала простір і час, щоб описати цю силу. Тому, якщо комусь захотілося описати іншу силу, наприклад, електромагнетизм, йому знадобилося б додати новий вимір. Вчені написавши рівняння, що описують криві і дефекти всесвіту з додатковим виміром, отримали оригінальне рівняння електромагнетизму. Дивовижне відкриття.

Додаткові вимірювання теорії струн можуть допомогти пояснити, чому числа в нашому Всесвіті настільки вивірені, що дозволяють всьому існувати. Наприклад, чому швидкість світла 299 792 458 метрів в секунду? Вони також намагаються відповісти на питання про гравітації – чому ця сила настільки слабка? Вона найслабша з чотирьох фундаментальних взаємодій: в 1040 разів слабкіше електромагнітної сили. Досить буде просто нахилитися і підняти книгу з підлоги, щоб протидіяти їй. Теоретично це відбувається тому, що гравітація просочується в більш високі виміри. Гравітація складається з ниток із замкнутим контуром, що дозволяє їй залишати наш вимір, на відміну від розімкнутих ниток, які краще заземлені.

Що таке теорія суперструн?

Чому ми не бачимо всіх цих вимірів? Тому що вони існують на такому низькому рівні, що невидимі для нас, тобто не піддаються виявленню. Вони компактні, укомплектовані таким чином, що відтворюють фізику нашого світу, складаючись в цікаві форми Калаби-Яу. Різні форми Калаби-Яу дозволяють існувати різним вібраціям струн і абсолютно різним всесвітам.

Ми навіть можемо протестувати передбачувані множинні всесвіти. Оскільки ми припускаємо, що гравітація просочується в більш високі виміри, після зіткнення двох частинок має бути менше часу, ніж до зіткнення. Але навіть в найсприятливіших умовах тестування чогось подібного було б неймовірно важким, невловимим.

Сьогодні розрахунки теорії струн виробляються в модельованих всесвітах з 10 або 11 вимірами, де працює математика. Потім вчені намагаються стерти додаткові виміри, але поки що ніхто не досяг успіху в описі нашого всесвіту або розробці якогось експерименту для доказу теорії. Однак це не означає, що у нас немає ніяких застосувань для теорії струн.

Математичний інструмент, що розробляється в рамках досліджень теорії струн, допомагає нам розуміти частини нашого всесвіту. Ми можемо використовувати його для кращого пояснення інформаційного парадоксу, квантової гравітації і деяких проблем чистої математики. Деякі вчені використовують теорію для своїх обчислень у фізиці частинок або при спостереженні екзотичних станів матерії. Теорія струн може і не стане теорією всього, але вже зараз це хоча б теорія чогось.

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*