Теория струн на пальцах - главный закон Вселенной

Самая главная проблема в физике, о которой я уже рассказывал на своём канале (ссылка на неё будет внизу), это отсутствие Теории Всего - универсального закона мироздания, описывающего всё на свете. Всё дело в том, что никакой теории не удалось объединить два мира - квантовую механику и релятивистскую физику. Не удавалось до сегодняшнего дня.

Представление того, как могут выглядеть струны
Представление того, как могут выглядеть струны

Законы квантового мира и космических тел кардинально отличаются друг от друга. В первом мире господствуют законы суперпозиции (фотон одновременно проявляет свойства и волны, и частицы) и квантовой запутанности (две частицы способны менять свои свойства одновременно). Во второй звёзды, планеты, даже целые галактики притягиваются друг к другу под действием гравитации, а на каждое тело влияет эффект замедления времени - если космический корабль будет двигаться с околосветовой скоростью, то его пассажиры почти не заметят течения времени и даже не постареют - тогда как для нас время будет идти с привычной скоростью.

Понимаете? Два мира с абсолютно разными законами. Прибавьте к этому наш, обычный мир с классической механикой и получите три совершено разных физики, несвязанных между собой. Вот уже 70 лет учёные всего мира бьются над этой проблемой и, похоже, они в шаге от её решения.

Новым кандидатом на Теорию Всего стала теория струн. Ей уже много лет, и даже был период, когда её выкинули на свалку истории. Но последние 20 лет исследований сделали теорию струн главенствующей в физике.

В чём смысл теории струн?

1. Абсолютно все частицы на мельчайшем уровне состоят из струн - "ниточек", способных колебаться. Струны подобны волнам, только очень маленьким. Каждому виду частицы соответствует определённая частота колебания струны. Одно колебание - получился кварк, другое - бозон, третье - электрон.

2. Струны не имеет массы - они состоят из энергии и способны обмениваться ей с другими струнами.

3. Струны способны перемещаться - и перемещаются они в 10 измерении. Мы воспринимаем лишь 4 из них - длину, ширину, высоту и время. Остальные же свёрнуты в "клубок" и являются настолько маленькими, что лишь струны способны путешествовать между ними. Представить остальные измерения можно, об этом мы поговорим чуть ниже.

Казалось бы: и что с того? Ну есть струны, а дальше что?

И действительно, в 1970-х годах теория струн была отодвинута на второй план, ведь она застыла в этих рассуждениях. Более того, для более точного описания поведения частиц учёные начали добавлять разные условия: в одной теории есть тахионы (вымышленные частицы с отрицательной массой), а в другой нет, а в третьей появляются закрытые струны - то есть сворачивающиеся в круг или в другую форму.

Итого появилось 5 новых теорий струн, каждая из которых могла описывать наш мир и в каждой была своя система уравнений. 5 систем уравнений - где это видано, когда нужна одна? Да, одна теория могла переходить в другую, если поменять условия, но это точно не то, что нужно. Именно поэтому она была заброшена.

Но в 1995 году произошёл взрыв в научном мире. Эдвард Уиттен, американский физик, объединил все 5 теорий струн в одну, М-теорию. (M - mother - материнская). Ему не нужно было менять условия для перехода из одной теории в другую, в его системах уравнений при любых подстановках всё прекрасно работало.

Представление того, как могут выглядеть струны
Представление того, как могут выглядеть струны

Что нужно знать об М-теории? Это не какой-то новый закон, это всё та же теория струн. Но с двумя новыми условиями:

1. Из струн состоят не только фермионы - то есть кварки, электроны, протоны, нейтроны, фотоны и другие частицы, из которых состоит материя, но и бозоны - переносчики энергии между фермионами. Тем самым из струн можно получить ВООБЩЕ любую частицу, какую бы ты не пожелал. Это называется суперсимметрией.

2. Струны перемещаются не в 10, а в 11 измерениях. Каждая из пяти теорий струн - это граничное условие в 10 измерении, а перемещаться между ними можно в одиннадцатом.

Наверняка у вас появился вопрос: а как представить себе 11 измерений? Напоминаю, что большинство из них компактифицированы (свёрнуты), и поэтому мы лишь можем догадываться, что они из себя представляют. Частичный ответ на этот вопрос даст вот это видео:

Итак, есть три пространственных измерения (длина, ширина и высота), три временных (казалось бы, как это - двумерное время? А вот так вот, просто мы не можем его вообразить) и три для путешествия между Вселенными, у которых разные физические законы (логика та же, что и для временных). Наконец, в десятом измерении путешествуют струны, а в одиннадцатом они способны перемещаться мгновенно, не тратя энергии.

Сложно? Сложно. Но повторюсь: это лишь способ представить себе. Возможно, всё на самом деле не так, ведь мы неспособны осознавать больше 4 измерений, способны передвигаться лишь в трёхмерном, а видим вообще двумерную картинку. Поэтому эти высшие измерения - лишь математическое описание.

Теория струн и М-теория подарили миру то, что не мог сделать ни один закон - описать движение, поведение и взаимодействие абсолютно любых частиц в нашем мире. Более того, даже тёмная материя и тёмная энергия, самые загадочные вещества во Вселенной, описываются теорией струн. Это ли не успех?

И даже чёрные дыры, про которые нам мало что известно, описываются теорией струн.
И даже чёрные дыры, про которые нам мало что известно, описываются теорией струн.

Учёные не стоят на месте и некоторые из них уже составили F-теорию (F-father - отцовская по аналогии с материнской), в которой струны путешествуют уже в 12-мерном пространстве. Там системы уравнений ещё проще, чем в M-теории.

Но у теории струн есть одно но - она не привносит ничего нового в науку и является что ни на есть теорией без доказательств. Да, все её принципы идеально описывают всё происходящее вокруг. НО у неё нет экспериментальных доказательств! Струна имеет размер 10^-35 метров, что в миллиарды миллиардов раз меньше того, что мы можем увидеть. В Большом Адронном Коллайдере мы также не смогли засечь присутствия струн - тогда существуют ли они? Мы смогли идеально описать существующие данные, но на их основе не можем сделать новое открытие в науке.

Если мы найдём подтверждение Теории струн, то заполним самый главный пробел в науке. Возможно, мы даже сможем применить её на практике - получать любые частицы, какие пожелаем или покорять 11-мерное пространство!