Внимание, пристегните покрепче ремни – и я попробую описать вам одну из самых странных теорий из числа серьезно обсуждаемых сегодня в научных кругах, которая способна дать наконец окончательную разгадку устройства Вселенной. Теория эта выглядит настолько дико, что, вполне возможно, она правильна [1]!

Говорят, что 99,7% населению нашей планеты даже приблизительное понимание теории струн недоступно в принципе. Доля правды конечно есть, для того, чтобы ее понимать и хорошо разбираться в ней, надо иметь совершенно феноменальные мозги (попробуйте на досуге представить брану в 11-мерном пространстве), но приблизиться к пониманию возможно.

Однажды мне в руки, к сожалению в электронном варианте, попала книга одного из величайших физиков-теоретиков современности Стивена Хокинга Мир в ореховой скорлупке [2]. Тогда же меня заинтересовала ТЕОРИЯ СТРУН и углубившись в ее изучение я поняла насколько я дотронулась лишь до поверхности огромного необъятного айсберга такой непростой науки как теоретическая физика.

И вот мне бы хотелось поделиться тем в чем мне удалось разобраться. Я намеренно опущу Калаби-Яу, абелевы аномалии и метрик Минковского не только из-за своих недостаточно глубоких знаний, но и для того чтобы не перегружать мозг читателю данной статьи.

Чтобы иметь представление о струнах перед началом повествования я приведу один из самых доступно показывающих из чего состоят все вещества во вселенной рисунок 1 (взят из просторов интернета):

Рисунок 1 – Иерархия объектов микромира

В 1970 году Йохиро Намбу, Тецуо Гото, Леонард Сасскинд и Хольгер Нильсен обнаружили поистине удивительную вещь, что минимальные частицы – не точечные объекты, в которых сосредоточены все их физические характеристики (так представлялись все элементарные частицы раньше), а пространственно протяжённые одномерные объекты – струны, находящиеся в состоянии устойчивых и не зависящих от внешних факторов собственных колебаний. Как у колеблющейся струны гитары или скрипки могут быть различные гармоники, так и у струнных элементарных частиц могут быть разные состояния, или моды, обладающие разными физическими свойствами.

Основное преимущество теории струн то, что она позволяет объяснить все существующие теории и дает надежду объединить общую теорию относительности и квантовой механики. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна объясняет, как устроены звезды, галактики и Вселенная. Квантовая механика – объясняет, как устроен микромир: молекулы, атомы, электроны, кварки (простейшие неделимые частицы). Обе теории подтверждены опытами.

Но общая теория относительности и квантовая механика, не могут быть справедливы одновременно. Согласно теории Эйнштейна, пространство является плоским. Такая структура пространства сохраняется даже в самом малом масштабе. Однако, согласно квантовой механике, на микроскопическом уровне постоянно происходит хаотичное движение частиц, которое искривляет пространство (представьте себе поверхность воды, которая начинает бурлить). Причем чем меньше масштаб, тем интенсивнее движения (квантовые флуктуации). То есть квантовая механика противоречит теории относительности [3].

Ученые говорят, что каков бы ни был наш мир, всегда найдется способ свести его к миру, который был бы согласован со струнной теорией. Таким образом, теория струн не только не противоречит современным экспериментам, но и не будет противоречить никакому опыту в обозримом будущем. Это означает, что теорию струн нельзя будет опровергнуть.

Однако потом выясняется огромное НО! В теории струн присутствует частица тахион с мнимой массой (меньше нуля).

Тогда физики делают так называемый, пересмотр теории, выяснив что все элементарные частицы делятся на два класса – бозоны и фермионы, которые радикально отличаются по своим свойствам.

Все частицы обладают свойством, называемым спином, которое проявляется в том, что частицы по-разному выглядят с разных направлений. Это можно проиллюстрировать на примере колоды карт, рисунок представлен ниже. Возьмем для начала пикового туза. Он выглядит неизменно только при полном обороте – на 360^o. Поэтому говорят у него спин 1. С другой стороны, у червовой дамы две головы и поэтому она не меняется при повороте на 180^o. Про это говорят: спин 2. … Но существуют частицы, которые остаются неизменными только после двух полных оборотов. О таких говорят, что они имеюти спин ½ [2, стр. 56]. 

Рисунок взят из книги Стивена Хокинга Мир в ореховой скорлупке.

Рисунок 2 –Вычисление спина на примере колоды карт

Бозонами называются те частицы, которые имеют целочисленный спин. Фермионы – те, у кого спин полуцелый. Так вот, первая версия теории струн описывала только бозоны. Обновлённый вариант теории струн включал в себя и фермионы, и тут все поняли, что при таком подходе проблема ненужных частиц с мнимой массой (тахион), исчезает. Также было изучено что для всех бозонов должен существовать соотвествующий фермион, то есть между бозонами и фермионами должна существовать определённая симметрия. Такой вид симметрии получил название суперсимметрия. Так появилось еще 5 теорий которые уже носили название суперструнные.

В ходе второй суперструнной революции было показано, что такое представление неверно: все пять суперструнных теорий тесно связаны друг с другом, являясь различными предельными случаями единой 11-мерной фундаментальной теории [4]. В большом адронном коллайдере (БАК) хотят доказать именно теорию суперсимметрии. Скажу пару слов о БАК. Это самый мощный в мире ускоритель частиц, построенный под землей на границе Франции и Швейцарии, управляемый Европейским центром ядерных исследований (ЦЕРН). Это самое дорогостоящее экспериментальное устройство на планете, стоимостью более 10 млрд. долларов.

Предназначен он для ускорения протонов и тяжёлых ионов почти до скорости света в противоположных направлениях и затем сталкивания их во встречных пучках с энергией в миллионы раз большей, чем получают частицы при взрывах водородных бомб, с частотой столкновений частиц в коллайдере сотнями миллиардов раз в секунду [5] .

Многие ученные были против строительства БАК доказывая, что эксперименты с ним могут уничтожить Землю, другие до сих пор опровергают это, утверждая что если там и возникнет черная дыра, она мгновенно испарится, т.к. будет микроскопической. 

На этот раз все в научном мире стало налаживаться, но расчеты снова показали что квантовая теория не согласовывается с теорией суперструн, показывая на практике совершенно абсурдные результаты. Расчеты в трех измерениях не получались, но физиков это не остановило и они добавили еще измерений (которые, как они считают находятся в свернутом состоянии). Чтобы согласовать теорию струн, квантовую механику и общую теорию относительности постребовалось целых 10 измерений пространства-времени (влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад, прошлое-будущее и остальные 6 измерений нахидящихся в свернутом микроскопическом масштабе).

Потом физики добавив еще одно измерение свернули 5 теорий струн в единую теорию, назвав ее М-теорией. М-теория говорит о том, что все пять суперструнных теорий тесно связаны друг с другом, являясь различными предельными случаями единой 11-мерной фундаментальной теории.

Так теория струн отошла в прошлое, так как была сначала обобщена с суперсимметрией, потом расширена на теорию бран или М-теорию. Возможно, в конце концов, одна из этих теорий станет Единой теорией всего, теорией возникновения Вселенной. Или ученые начнут считать их абсурдными, не верными,  «натянутыми» для того чтобы они подходили к описанию всех свойств материи вселенной. А может в итоге мир подойдет к пределу, когда теории невозможно будет подтвердить экспериментально, но это вовсе не значит, что нужно прекращать задумываться над неизвестным.

Не стоит забывать, что теория струн как и М-теория или какая-либо другая недоказанная теория – это всего лишь теория. Ее нельзя объективно оценить, так как и сравнивать не с чем. 

 Также нам не стоит  забывать и о том, что…

У нас всего один экземпляр Вселенной, он не подлежит экспериментам.

В. Гинзбург, Нобелевский лауреат по физике.

1. Энциклопедия большой науки: Теория струн.
2. STEPHEN HAWKING The Universe in a Nutshell. Пер. с англ. // Под ред. А. Г. Сергеева, 2007 г.
3. Астрономический сайт: http://cosmoportal.net.
4. Брайан Грин. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории: Пер. с англ. // Под ред. В. О. Малышенко. – Изд. 3-е. – М.: Едиториал УРСС, 2007. – 288 с.
5. Энциклопедия большой науки: Статья о большом адронном коллайдере.