Теория суперструн для чайников

Зачем природа сделала два отдельных набора законов для вселенной и можно ли примирить квантовую теорию и теорию относительности?

Сегодня научная картина мира складывается таким образом, что нашей Вселенной управляет два набора законов — общая теория относительности, которая объясняет прекрасную работу гравитации, и квантовая механика, которая описывает остальные три взаимодействия вселенной (сильное ядерное, слабое ядерное и электромагнетизм). Можно брать эти законы и применять к вещами на больших масштабах — планеты, галактики, а затем к мельчайшим масштабам — протонам и нейтронам.

Теория суперструн — это попытка ответить на два вопроса: существует ли способ объединить общую теорию относительности и квантовую механику, создав «теорию всего»? Из чего все состоит?

Теория суперструн

Раньше мы считали, что строительными блоками жизни являются атомы, мельчайшие компоненты материи. Но затем мы столкнули атомы и обнаружили элементарные частицы, настолько мелкие составляющие, что даже не можем их разглядеть, не изменив определенным образом. Чтобы увидеть что-то, нам нужно, чтобы свет сперва отразился от объекта и попал в наши глаза, составив картинку. Свет состоит из электромагнитных волн, которые свободно проходят через элементарные частицы. Мы можем сделать эти волны плотнее, добавить им энергии, чтобы они ударили частицы и мы могли увидеть их, но как только частицу что-то бьет, она меняется, поэтому увидеть ее в исходном состоянии мы не можем. Мы понятия не имеет, как выглядят элементарные частицы. Как и темную энергию, темную материю, мы не можем наблюдать эти явления непосредственно, но у нас есть основания полагать, что они существуют.
Мы рассматриваем эти частицы как точки в пространстве, хотя на самом деле они таковым не являются. Несмотря на все недостатки, этот метод — идея квантовой механики о том, что силы переносятся частицами — дает нам неплохое представление о вселенной и приводит к прорывам вроде квантовых растворителей и поездов на магнитной левитации. Общая теория относительности сама по себе тоже прошла хорошую проверку временем, объясняя нейтронные звезды и аномалии орбиты Меркурия, предсказывая черные дыры и искривление света. Но уравнения ОТО, к сожалению, перестают работать в центре черной дыры и в преддверии Большого Взрыва. Проблема в том, что свести их вместе не получается, потому что гравитация связана с геометрией пространства и временем, когда расстояния измеряются точно, а в квантовом мире измерить что-то нет никакой возможности.

Когда ученые попытались изобрести новую частицу, которая поженила бы гравитацию с квантовой механикой, их математика просто дала сбой.
В некотором смысле пришлось вернуться к школьной доске. Поэтому ученые предположили, что мельчайшие компоненты вселенной — это не точки, а струны. Различные колебания струн создают различные элементарные частицы вроде кварков. Вибрирующие струны могли бы составить всю материю и все четыре силы во Вселенной — включая гравитацию.

Высшие измерения

У теории суперструн есть проблема. Она не сработает, если предположить, что существует только три пространственных измерения и одно временное, в которых мы живем. Теория струн требует, чтобы в игре было не меньше десяти измерений.

Когда ОТО была впервые задумана, гравитация искажала пространство и время, чтобы описать эту силу. Поэтому, если бы кому-то захотелось описать другую силу, например, электромагнетизм, ему понадобилось бы добавить новое измерение. Ученые написал уравнения, описывающие кривые и дефекты вселенной с дополнительным измерением, и получил оригинальное уравнение электромагнетизма. Удивительное открытие.
Дополнительные измерения теории струн могут нам помочь объяснить, почему числа в нашей Вселенной настолько выверены, что позволяют всему существовать. Например, почему скорость света 299 792 458 метров в секунду? Они также пытаются ответить на вопрос о гравитации — почему эта сила настолько слабая? Она самая слабая из четырех фундаментальных взаимодействий: в 1040 раз слабее электромагнитной силы. Достаточно будет просто наклониться и поднять книгу с пола, чтобы противодействовать ей. Теоретически это происходит потому, что гравитация просачивается в более высокие измерения. Гравитация состоит из нитей с замкнутым контуром, что позволяет ей покидать наше измерение, в отличие от разомкнутых нитей, которые лучше заземлены.

Почему мы не видим всех этих измерений?

Потому что они существуют на таком малом уровне, что невидимы для нас, не поддаются обнаружению. Они компактные, укомплектованные таким образом, что воспроизводят физику нашего мира, складываясь в интересные формы Калаби-Яу. Различные формы Калаби-Яу позволяют существовать различным вибрациям струн и совершенно разным вселенным.
Мы даже можем протестировать предполагаемые множественные вселенные. Поскольку мы предполагаем, что гравитация просачивается в более высокие измерения, после столкновения двух частиц должно быть меньше времени, чем до столкновения. Но даже в самых благоприятных условиях тестирование чего-то подобного было бы невероятно трудным, неуловимым.
Расчеты теории струн производятся в моделируемых вселенных с 10 или 11 измерениями, где математика работает. Затем ученые пытаются стереть дополнительные измерения, но пока никто не преуспел в описании нашей вселенной или разработке какого-то эксперимента для доказательства теории. Однако это не значит, что у нас нет никаких применений для теории струн.
Математический инструмент, разрабатываемый в рамках исследований теории струн, помогает нам понимать части нашей вселенной. Мы можем использовать его для лучшего объяснения информационного парадокса, квантовой гравитации и некоторых проблем чистой математики. Некоторые ученые используют теорию для своих вычислений в физике частиц или при наблюдении экзотических состояний материи.
Теория струн может и не станет теорией всего, но это хотя бы теория чего-то.