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 давно пытаются построить единую квантовую теорию, которая согласованно описывала бы гравитацию вместе с другими взаимодействиями. Теория струн — одно из наиболее разработанных направлений таких исследований, но она остается теоретической конструкцией без прямого экспериментального подтверждения и не считается доказанной «теорией всего».

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: 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

Если струны существуют, их характерный масштаб в простейших моделях может быть чрезвычайно мал — близок к планковскому. Прямое экспериментальное обнаружение при нынешних технологиях недоступно, однако корректнее говорить о чрезвычайной трудности проверки, а не о принципиальной невозможности доказательства.

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 подобные модели окажутся верны, дополнительные пространственные измерения могут быть свернуты в очень малых масштабах, из-за чего непосредственно мы наблюдаем только три пространственных измерения.

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 предназначен для проверки Стандартной модели и поиска новой физики. Его результаты могут ограничивать некоторые модели, связанные с суперсимметрией или дополнительными измерениями, но сам по себе БАК не способен просто «доказать или опровергнуть» всю теорию струн