Теория Суперструн
Краткое и простое объяснение.
Существует два набора законов, которые управляют нашей Вселенной — Общая теория относительности, которая объясняет работу гравитации, и квантовая механика, которая описывает оставшиеся три силы Вселенной (сильное ядерное, слабое ядерное и электромагнетизм). Эти законы применяются как к объектам в большом масштабе, таким как планеты и галактики, а также применимы к вещам в очень маленьком масштабе, таким как протоны и нейтроны, соответственно. Но зачем природе создавать два отдельных закона для Вселенной?
Теория суперструн — это попытка ответить на два вопроса: Есть ли способ согласовать общую теорию относительности и квантовую механику, создав таким образом «теорию всего»? А из чего всё сделано?
Мы привыкли думать, что строительные блоки жизни были атомами и что они были мельчайшими компонентами материи. Но затем мы раздробили атомы и нашли элементарные частицы, компоненты настолько маленькие, что мы даже не можем их увидеть, не изменив их каким-то образом. Чтобы увидеть что-то, свет отражается от объекта и попадает в наши глаза, где мы обрабатываем изображения. Свет состоит из электромагнитных волн, волн, которые полностью пропускают элементарные частицы, потому что они настолько непостижимо малы. Мы могли бы заставить волны быть более плотными, иметь больше энергии и ударять по частицам, чтобы мы смогли их увидеть, но как только волны попадают по частицам, последние изменяются, и поэтому мы не можем видеть их в исходном состоянии. Мы понятия не имеем, как выглядят элементарные частицы. Подобно тёмной материи и тёмной энергии, мы не можем наблюдать это явление, но у нас есть доказательства, что они существуют.
Мы рассматриваем такие частицы как точки в пространстве, хотя на самом деле это не так. Несмотря на недостатки, этот метод — идея в квантовой механике, что силы переносятся частицами — всё еще дает нам довольно хорошее представление о нашей Вселенной и привёл к инновациям, таким как квантовые растворители и поезда на манитной подушке (маглев). Общая теория относительности также выдержала проверку временем, объясняя нейтронные звезды и аномалии орбиты Меркурия, а также правильно предсказывая чёрные дыры и искривление света гравитационными линзами. Но уравнения общей теории относительности, к сожалению, не работают в центре чёрной дыры и при предположении Большого Взрыва. Проблема в объединении этих двух теорий вместе заключается в том, что гравитация — это геометрия пространства и времени, где расстояния точно измеряются, тогда как нет способа измерить вещи в квантовой области.
Когда ученые попытались изобрести новую частицу, которая сочетала бы гравитацию с квантовой механикой, их математические уравнения больше не имели смысла.
В некотором смысле они вернулись к чертежной доске. На этот раз они предположили, что наименьшие компоненты вселенной — это не точки, а струны. Различные колебания струны создавали бы различные элементарные частицы, такие как кварки. Вибрационные струны будут составлять всю материю и все четыре силы Вселенной, включая гравитацию.
Высшие измерения
Есть проблема с теорией суперструн. Она не сработает, если мы предположим, что существует только три пространственных и одно временное измерение в которых мы живем. На самом деле, теория струн требует, по крайней мере, 10 измерений для своего функционирования.
По Общей теории относительности гравитация искажает пространство и время, чтобы описать эту одну силу. Поэтому, если бы кто-то хотел описать другую силу — например, электромагнетизм — нужно было бы добавить новое измерение. Ученые написали уравнения, описывающие искривления во Вселенной с добавленной размерностью, и то, что они получили, было оригинальным уравнением для электромагнетизма, увлекательным открытием.
Дополнительные измерения теории струн могут помочь нам объяснить, почему числа в нашей Вселенной настолько специфичны, что позволяют всему этому существовать. Например, почему скорость света равна 299 792 458 м/с? Она также пытается ответить на вопрос о гравитации и почему это такая слабая сила. Из всех четырёх сил она самая слабая в 10⁴⁰ раз слабее электромагнитных сил. Теоретически это происходит потому, что гравитация просачивается в более высокие измерения. Гравитация выполнена из нитей с замкнутым контуром, что позволяет им избежать нашего измерения, в отличие от нитей с открытым контуром, которые лучше заземлены.
Так почему же мы не можем увидеть другие измерения?
Это потому, что они на таком маленьком уровне, что они невидимы и, до сих пор, незаметны для нас. Они компактифицировали таким образом, что воспроизводят физику нашего мира, складываясь в себе в интересной форме, называемой пространством Калаби-Яу. Различные формы Калаби-Яу уступили место различным вибрациям струн и, в свою очередь, совсем другим вселенным.
Мы даже можем проверить предполагаемую мультивселенную теории струн. Поскольку мы предполагаем, что гравитация просачивается в более высокие измерения, после столкновения двух частиц должно быть меньше энергии, чем до столкновения. Но даже при самых благоприятных условиях тестирование на что-то подобное было бы невероятно сложным и неуловимым.
Расчеты теории струн выполняются в модельных вселенных с 10 или 11 измерениями, где математика работает. Затем ученые пытаются стереть оттуда дополнительные измерения, хотя до сих пор никому не удалось описать нашу вселенную или разработать какой-то эксперимент, чтобы доказать, что теория реальна. Но это не значит, что нам не нужна теория струн.
Некоторые математические уравнения из теории струн могут помочь нам понять части нашей Вселенной. Мы можем использовать их, чтобы лучше объяснить информационный парадокс, квантовую гравитацию и некоторые проблемы в чистой математике. Некоторые ученые используют теорию для своих расчетов в физике частиц или при наблюдении экзотических состояний вещества.
Теория струн не теория всего, но это теория чего-то.
