Единая теория всего: теория струн

Теория струн появилась как попытка объединить квантовую механику и теорию относительности Эйнштейна, между которыми существовали противоречия. Закладывая ее основы, ученые и не предполагали, к каким удивительным выводам она приведет.

Струны мироздания

Физики всего мира уже давно пытаются создать универсальную теорию, объясняющую устройство всего мироздания, желательно в нескольких несложных формулах. Эта теория должна объединить четыре фундаментальные силы, действующие в природе: сильное взаимодействие, удерживающее элементарные частицы внутри атома, электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие, которое проявляется в реакциях радиоактивного распада, и гравитацию. Кроме того, так называемая Единая теория всего должна устранить противоречия между общей теорией относительности и квантовой механикой. В настоящее время главный претендент на роль такой теории — это теория струн. Где же находятся эти самые струны?

Для того чтобы понять это, вернемся к строению атома. Мы остановились  на модели Резерфорда, где в центре располагается ядро, вокруг которого движутся электроны. Эта модель была создана сто лет назад, с тех пор ученые продвинулись в изучении атома очень далеко, что привело к расширению и углублению модели.

Теория струн
Теория струн: материя состоит из атомов, атомы — из ядра (протоны и нейтроны) и электронов. Мельчайшей частицей материи является кварк, который, в свою очередь, состоит из струн

Итак, в центре атома находится ядро, в котором сосредоточена большая часть всей массы. Ядро состоит из протонов, заряженных положительно, и нейтронов, не имеющих заряда. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из более мелких частиц — кварков (которые бывают разных видов). Кварк и есть мельчайшая, или элементарная, частица материи, которую, по данным современной науки, разделить нельзя.

Приверженцы теории струн выдвигают предположение, что элементарная частица является подобием микроскопической колеблющейся струны. Тогда получается, что траектория движения частицы — это на самом деле траектория колебания струны.

Одно из ответвлений теории струн — теория многомерных мембран. Речь идет о тех же струнах, но они представляются плоскими, а не одномерными. Для наглядности ученые назвали их лапшой, в отличие от струн, которые можно сравнить с вермишелью

Десять измерений — это минимум

Увидеть эти струны и экспериментально доказать их существование невозможно, потому что их размеры настолько малы, что это трудно даже вообразить. Размер средней струны (если она существует на самом деле) составляет 10-33 сантиметра, или одну миллионную от одной миллиардной от одной миллиардной от одной  миллиардной сантиметра. Впечатляющее число, не правда ли?

Эти крошечные струны, тем не менее, способны полностью изменить наше представление о реальности. Ведь, занявшись математическими расчетами теории струн, ученые выяснили, что она работает только в том случае, если предположить, что в мироздании существуют не три привычных нам измерения, а целых десять, одно из которых временное, а девять — пространственные. А при увеличении количества измерений до одиннадцати или двенадцати теория работает еще лучше. Вообще теория струн имеет множество вариантов, и на ее основе постоянно рождаются новые гипотезы.

Если предположить, что эта теория верна (а многие современные физики-теоретики в этом не сомневаются), то возникает закономерный вопрос: если в нашей Вселенной существует так много измерений, то почему мы видим только три?

Физики отвечают на этот вопрос так: потому что остальные измерения существуют только на квантовом уровне, где они свернуты в микроскопических масштабах.

Представить себе микроскопические струны, находящиеся внутри атомов и совершающие колебания в десяти измерениях, очень сложно. Но физикам это удается. Мысленным взором они могут увидеть всю Вселенную как сложное многомерное переплетение тончайших струн.

Большой адронный коллайдер
Большой адронный коллайдер был построен для изучения элементарных частиц и для проверки существующих универсальных теорий, в том числе теории струн. Возможно, с помощью этого ускорителя частиц теория струн будет либо доказана, либо опровергнута

Поделиться ссылкой