Содержание
История появления
Впервые о возникновении теории струн (ТС) было объявлено в 1968 году. Ее основателями стали Габриэль Венециано и Махико Судзуки, которые работали независимо друг от друга. Они выяснили некоторые особенности формулы Эйлера, которая показывает нестабильную природу взаимодействия элементарных частиц. При углублении в этот вопрос был обнаружен и сформулирован ряд недостатков теории поля, на которую опиралась вся фундаментальная физика в течение сотни лет.
Создателем теории считается Венециано, хотя вклад Судзуки ничуть не меньше, а хронологически обе работы проводились практически одновременно.
К началу 70-х годов прошлого века были изложены общие положения квантовой теории струн. Серьезные дополнения в нее внес американский физик Леонард Сасскинд, который обнаружил, что сгустки энергии ведут себя совсем не как точечные частицы, а как линейные элементы.
Они способны вибрировать, что создает возможность существования множественных состояний вещества. Собственно, именно Сасскинд и предложил название, которое вызвало столько споров и обсуждений — теория струн.
Пик развития ТС пришелся на середину 80-х и на 90-е годы. Физики ожидали появления некой «теории всего», объяснявшей устройство Вселенной.
Однако этого не произошло из-за огромного количества вариантов — созданные математические модели давали неоднородные результаты. Это послужило основанием для сомнений в научности теории струн, хотя и доказательств ее ложной сущности не существует.
Суть теории
Фундаментальная физика к середине прошлого века опиралась на теорию поля, рассматривавшую все явления как простое взаимодействие энергетических частиц.
На ней основано множество других теорий, но существует один важный недостаток — теория поля в отдельных моментах противоречит принципу причинности.
Теория струн позволила устранить эту проблему, хотя они и не опирается на теорию поля. Причиной ее появления явилась попытка объяснить силу ядерного притяжения, соединяющего нейтроны и протоны в единую систему.
Если предельно упростить постулаты ТС, струны — это сгустки энергии, которые составляют тело кварков. Они вибрируют и могут взаимодействовать между собой, создавая гравитационные волны. Кроме того, от взаимодействия струн на элементарном уровне возникают все физические законы и явления в макромире, причем на всех уровнях, вплоть до событий галактического масштаба.
Особенности теории струн:
- существование открытых и закрытых струн. Первые имеют свободный конец и могут соединяться с другими открытыми струнами, создавая участки взаимодействия на более высоких уровнях. Это дает возможность примирить между собой такие гигантские силы, как гравитация, электромагнитное притяжение и слабые воздействия. В частности, с помощью теории струн стало возможным описание гравитации в рамках квантовой механики. До появления ТС это было невозможно;
- наличие минимум 10 измерений — в обычном четырехмерном континууме (время и три оси координат) струны существовать не могут;
- принцип суперсимметрии — две элементарные частицы бозон и фермион могут существовать только в паре. Такое состояние частиц исключает возможность появления воображаемого уровня энергии. Само существование ТС без суперсимметрии невозможно.
Доводы противников теории струн
Некоторые ученые (в частности, Каку Мичио) утверждают, что формулы Венециано и Судзуки являются неполными. Существуют положения физики, которым эти формулы не отвечают. Основным несоответствием стала унитарность, или сохранение вероятности — струнная теория дает слишком множественные решения одних и тех же задач. Углубленные разработки привели к появлению так называемой «проблемы ландшафта», описывающей наличие огромного числа ложных вакуумов.
Одна из предполагаемых форм дополнительных закрученных измерений. Внутри каждой из таких форм вибрирует и движется струна – основной компонент Вселенной. Каждая форма шестимерна – по числу шести дополнительных измерений
2D-Вселенная. Граф полиэдра E8 / ©John Stembridge/Atlas of Lie Groups Project Теория Всего
Первой и самой неприятной проблемой теории струн стал предсказанный тахион — элементарная частица, которая движется быстрее скорости света. Удалось доказать ее отсутствие, даже более того — невозможность существования тахиона в рамках действующей квантовой механики.
Еще одной проблемой теории стал антропный принцип ее рассмотрения. Он определяет существование базовых физических законов не как данность, а как некие условия для возникновения и поддержания жизни на Земле вообще и для наличия наблюдателей в частности.
Активными критиками теории струн являются физики Дэвид Гросс и Ли Смолин, которые отказывают ей в научности. По их мнению, отсутствие реальных способов проверить правдивость или хотя бы состоятельность теории выводит ее из научных рамок в ранг обычных предположений, гипотез.
Даже стройность математических построений ничего не значит, поскольку количество вариантов их трактовки делает задачу нерешаемой. Упрощая, точку зрения противников теории можно изложить так: проблемой становится сама непогрешимость, декларируемая принципиальная невозможность усомниться в постулатах теории струн.
Неопровергаемых истин в науке не существует, поскольку все ее достижения — лишь ступени познания. Если система струн принципиально верна, значит, в самом подходе кроется ошибка.
Кроме этого, некоторые моменты в теории противоречат принципу неопределенности Гейзенберга, который гласит — знание физических законов не позволяет судить о поведении элементарных частиц.
На субатомном уровне возникает масса событий, которые с научной точки зрения представляются нелогичными или даже нереальными. Поэтому, строгая и четкая теория в данном случае оказывается несостоятельной, а попытки объяснить огромное количество вариантов поведения частиц — бессмысленными.
Вопросы и ответы
При изучении теории струн у неспециалиста возникает больше вопросов, чем полезных сведений. Причиной этого является серьезное отставание школьной (институтской) программы от современных представлений фундаментальной физики. Некоторые вопросы звучат чаще других, и на них можно ответить заранее:
Причиной отсутствия окончательной формулировки стала сложность математики. Ее понимают далеко не все ученые, не говоря уже о людях с обычным институтским уровнем подготовки. Поэтому, пока выдать точное определение теории не удается. Кроме того, мешают разные трактовки математики, дающие множество версий возможной формулировки.
Причиной такой популярности стали ожидания физиков, мечтавших заполучить единую «теорию всего», или формулу, определяющую общие правила для Вселенной. Сегодня это выглядит несколько наивно, но на момент появления ТС многие всерьез рассматривали ее как шаг к созданию такой формулы.
Надо относиться к ней именно как к теории. Она еще слишком умозрительна и не имеет однозначных объяснений, подтверждается лишь математикой. Поскольку трактовка формул и построений может быть весьма различной, окончательного вердикта относительно значимости теории струн пока не существует. Ситуацию усугубляет наличие теорий, отвергнутых научным сообществом (петлевая квантовая гравитация, спиновые сети и т. п.). Вероятность попадания теории струн в эту компанию достаточно велика.
ОТО и квантовая механика рассматривают разные явления — первая полностью ориентирована на явления галактических масштабов, вторая — на взаимодействия субатомных частиц. Между собой они конфликтуют практически по всем направлениям. Теория струн, как бы странно это ни звучало, заметно сглаживает эти противоречия, делает их менее острыми.
Для того, чтобы корректно осмыслить теорию струн, надо сначала изучить огромное количество материала — математику квантовой механики, затем релятивистскую квантовую механику, после чего перейти к квантовой теории поля. Только после поглощения огромных массивов информации можно приступить к теории струн не в популярном, а в научном понимании. не просто так появилась книга Сабины Хоссенфельдер, где критика теории струн основана на чрезмерной сложности математических выкладок.
Да, существуют. С ее помощью удалось устранить парадокс исчезновения информации в черных дырах, изложенный Стивеном Хокингом. Доказано, что информация не теряется, а переходит на другой уровень. Кроме этого, принципы теории струн стали базой для создания формулы энтропии черной дыры. Эти находки свидетельствуют о том, что теорию струн нельзя считать совсем сомнительной и безнадежной.
Одним из наиболее убедительных доказательств ошибочности теории струн стало бы окончательное обоснование отсутствия дополнительных измерений — только одно временное и три пространственных). Во всяком случае, обнаружить дополнительные измерения в макромире пока не удается.
