У розвитку фізики особливо вирізняються об’єднання (уніфікації): події, коли явища, які до того вважалися різними, визнаються взаємопов’язаними, а теорії коригуються з урахуванням цього факту. Одне з найважливіших таких об’єднань відбулося в дев’ятнадцятому столітті.
Довгий час здавалося, що електрика й магнетизм — різні фізичні явища. Електрику вивчили першою. Видатні експерименти Генрі Кавендіша були проведені в період від 1771 до 1773 р. Потім були дослідження Шарля Огюстена де Кулона, завершені в 1785 р. Ці роботи дали змогу створити теорію статичної електрики, або електростатику. Подальші експерименти виявили зв’язки магнетизму з електрикою. У 1819 р. Ганс Крістіан Ерстед виявив, що електричний струм, який тече в дроті, може відхиляти стрілку розміщеного поруч магнітного компаса. Незабаром Жан Батіст Біо і Фелікс Савар (1820) та Андре-Марі Ампер (1820-1825) встановили закони магнітного поля, створеного електричним струмом. Вирішальний крок зробив Майкл Фарадей (1831), який показав, що й змінні магнітні поля породжують електричні струми. З’явилися й рівняння, що описують ці явища, але насправді вони були некоректними. Лише Джеймс Клерк Максвелл (1865) побудував узгоджену систему рівнянь, додавши до одного з них новий доданок. Новий доданок не лише усував неузгодженість, а й передбачав електромагнітні хвилі. На честь цього великого прозріння рівняння електромагнітного поля (або електродинаміки) нині називають рівняннями Максвелла. Вони об’єднують електрику й магнетизм у єдине ціле. Це елегантне й естетично привабливе об’єднання неодмінно мало відбутися: взяті окремо, електрика й магнетизм були б суперечливими.
Інше фундаментальне об’єднання двох типів явищ відбулося наприкінці 1960-х рр., приблизно через сто років після роботи Максвелла. Воно виявило глибокий зв’язок між електромагнітними силами та силами, відповідальними за слабкі взаємодії. Щоб оцінити значення цього об’єднання, необхідно спочатку оглянути основні досягнення у фізиці від часів Максвелла.
Важливу зміну парадигми започаткувала спеціальна теорія відносності Альберта Ейнштейна. У цій теорії виявляється разюче концептуальне об’єднання різних понять, що стосуються простору й часу. На відміну від об’єднання сил, злиття простору й часу в просторово-часовий континуум дало нове розуміння природи тієї арени, на якій розгортаються фізичні явища. Ньютонівську механіку замінила релятивістська механіка, а старі уявлення про абсолютний час були відкинуті. Було показано, що маса й енергія взаємозамінні.
Інша, можливо, ще драматичніша зміна парадигми пов’язана з виникненням квантової механіки. Численні експерименти довели, що квантова теорія, створена Ервіном Шредінгером, Вернером Гейзенбергом, Полем Діраком та іншими фізиками, є правильною схемою для опису мікроскопічних явищ. У квантовій механіці класичні спостережувані величини стають операторами. Якщо два оператори не комутують, відповідні спостережувані величини не можна виміряти одночасно. Квантова механіка — це більше, ніж теорія, це система поглядів. Вона дає правила, за якими слід використовувати теорії, щоб отримати фізичні передбачення.
На додачу до цих досягнень було показано існування в природі чотирьох фундаментальних сил (взаємодій). Коротко розгляньмо їх.
Одна із сил — це сила тяжіння, або гравітація. Вона відома з часів античності, але вперше була точно описана Ісааком Ньютоном. Теорію Ньютона було радикально перероблено в загальній теорії відносності Альберта Ейнштейна. У цій теорії простір-час спеціальної теорії відносності набуває власного життя, а сили тяжіння виникають із кривини динамічного простору-часу. Загальна теорія відносності Ейнштейна є класичною теорією гравітації. Вона не сформульована як квантова теорія.
Друга фундаментальна сила — електромагнітна. Як обговорювалося вище, ця сила добре описується рівняннями Максвелла. Теорія Максвелла сформульована як класична теорія електромагнітних полів. На відміну від ньютонівської механіки, яка модифікується спеціальною теорією відносності, теорія Максвелла повністю сумісна зі спеціальною теорією відносності.
Третьою фундаментальною силою є слабка взаємодія. Ця сила відповідає за процес ядерного бета-розпаду, під час якого нейтрон розпадається на протон, електрон та антинейтрино. У загальному випадку всі процеси за участю нейтрино породжуються слабкими силами. Ядерний бета-розпад був відомий із кінця дев’ятнадцятого століття, але розуміння того, що в дію вступила нова сила, прийшло лише в середині двадцятого століття. Величина цієї сили визначається сталою Фермі. Слабкі взаємодії набагато слабші за електромагнітні.
Нарешті, четверта сила зумовлена сильною взаємодією, її часто називають кольоровою силою. Ця сила утримує разом складові нейтрона, протона, піона та багатьох інших суб’ядерних частинок. Самі складові, які називають кварками, настільки сильно зв’язані кольоровою силою, що їх неможливо спостерігати ізольовано.
Тепер ми можемо повернутися до питання про об’єднання. Наприкінці 1960-х рр. модель Вайнберга—Салама для електрослабких взаємодій поєднала в єдину структуру електромагнетизм і слабку силу. Ця об’єднана модель виникла не лише з міркувань простоти чи витонченості. Вона була необхідна для створення самоузгодженої теорії слабких взаємодій, що має передбачувальну силу. У початковому формулюванні теорія розглядає чотири безмасові частинки, які є переносниками взаємодій. Процес порушення симетрії надає масу трьом із цих частинок — $W^+,~w^-$ і $Z^0$, які є переносниками слабкої взаємодії. Частинка, що залишилася безмасовою, — фотон — є переносником електромагнітної взаємодії.
Як ми говорили вище, рівняння Максвелла є рівняннями класичного електромагнетизму, вони не використовують положень квантової теорії. Фізики знайшли методи квантування, які можна використати для того, щоб перетворити класичну теорію на квантову, тобто на таку теорію, яку можна вивести, використовуючи принципи квантової механіки. Хоча класичну електродинаміку можна впевнено використовувати для розрахунку перенесення енергії у високовольтних лініях і форм випромінювання радіоантен, для розрахунку мікроскопічних явищ вона неточна й неправильна. Для коректних обчислень у цій галузі потрібна квантова електродинаміка (КЕД), квантова версія класичної електродинаміки. У КЕД фотон виникає як квант електромагнітного поля. Теорія слабких взаємодій також є квантовою теорією, тож правильна єдина теорія — це квантова електрослабка теорія.
Процедуру квантування можна успішно здійснити і у випадку сильної (кольорової) взаємодії, отриману таким чином теорію назвали квантовою хромодинамікою (КХД). Носіями кольорової сили є вісім безмасових частинок. Це кольорові глюони, які, як і кварки, не можна спостерігати ізольовано. Кварки взаємодіють із глюонами, оскільки мають колір. Існують кварки трьох кольорів.
Електрослабка теорія разом із КХД утворюють Стандартну модель фізики частинок. У цій моделі існує перекриття між електрослабким сектором і сектором КХД, оскільки деякі частинки зазнають впливу обох типів сил. Однак справжнього глибокого об’єднання слабкої та кольорової сил не відбувається. Стандартна модель повністю підсумовує сучасні знання у фізиці частинок. Таким чином, ми насправді не переконані в можливості будь-якого подальшого об’єднання.
У Стандартній моделі є дванадцять переносників взаємодій: вісім глюонів, частинки $W^+,~w^-$ і $Z^0$ та фотон, усі вони бозони. Крім того, існує багато частинок матерії, і всі вони ферміони. Є два типи частинок матерії: лептони та кварки. Лептони включають електрон $e^-,$ мюон $\mu^-,$ тау-лептон $\tau^-,$ і пов’язані з ними нейтрино —$\nu_e,\nu_\mu$ і $\nu_\tau,$ їх можна об’єднати в список.
Лептони:
Оскільки ми маємо включити й античастинки до всіх лептонів, то загальна кількість лептонів дорівнює дванадцяти. Кварки мають кольоровий заряд, електричний заряд і зазнають також впливу слабкої сили. Існує шість різних типів кварків, які поетично називають ароматами: верхній $(u),$ нижній $(d),$ чарівний $(c),$ дивний $(s),$ найвищий $(t)$ і найнижчий $(b),$ їх теж можна об’єднати в список.
Кварки:
$$u,~d,~c,~s,~t,~b.$$Наприклад, кварки u і d мають різні електричні заряди та по-різному реагують на дію слабкої сили. Кожен із перелічених шести кварків існує в трьох кольорових різновидах, тож загалом виходить $6\times3 = 18$ частинок. Якщо врахувати античастинки, вийде загалом 36 кварків. Додаючи кількість лептонів до кількості кварків, отримуємо загалом 48 частинок матерії, а додавши до цього 12 переносників взаємодій, отримаємо 60 частинок.
Попри велику кількість частинок, які описує Стандартна модель, вона досить елегантна і дуже потужна. Але якщо розглядати її як основну теорію всієї фізики, виявляються два істотні недоліки. По-перше, вона не включає гравітацію. По-друге, вона містить близько двадцяти параметрів, які неможливо обчислити в рамках цієї ж теорії. Можливо, найпростішим прикладом такого параметра є безрозмірне відношення маси мюона до маси електрона. Значення цього відношення дорівнює приблизно 207, і воно має вводитися в теорію ззовні.
Більшість фізиків вважають, що Стандартна модель — лише крок на шляху до формулювання повної теорії фізики. Значна кількість фізиків вважає також, що правильним виявиться певне об’єднання електрослабких і сильних взаємодій у теорію Великого об’єднання (ТВО). Однак нині об’єднання цих двох взаємодій здається необов’язковим.
Інша приваблива можливість полягає в тому, що повніша версія Стандартної моделі має включати суперсиметрію. Суперсиметрія — це симетрія, що пов’язує бозони та ферміони. Оскільки всі частинки матерії є ферміонами, а всі переносники сил — бозонами, то ця разюча симетрія об’єднує матерію та взаємодії. У теорії із суперсиметрією бозони та ферміони виникають парами з рівною масою. Частинки Стандартної моделі не мають такої властивості, тож суперсиметрія, якщо вона існує в природі, має бути спонтанно порушена. Суперсиметрія є настільки привабливою симетрією, що багато фізиків переконані: її зрештою буде відкрито.
Невідомо, чи з’являться розглянуті нами розширення Стандартної моделі, але ясно, що включення гравітації у фізику частинок не може бути необов’язковим. Якщо ми хочемо мати повну теорію, то гравітацію необхідно включити, чи то в рамках об’єднання, чи без нього. Нині явища, зумовлені гравітаційною силою на мікроскопічному рівні, є нехтовно малими, але вони стають визначальними під час вивчення космології раннього Всесвіту.
Однак при спробі включити фізику гравітації до Стандартної моделі виникає важливіша проблема. Стандартна модель є квантовою теорією, тоді як загальна теорія відносності Ейнштейна — класична теорія. Здається дуже складним, якщо взагалі можливим, отримати самоузгоджену теорію, яка частково є квантовою, а частково — класичною. Поширена думка, що гравітацію також необхідно перетворити на квантову теорію. Однак у випадку гравітації процедура квантування стикається із серйозними труднощами. Отримана теорія квантової гравітації виявляється або необчислюваною, або повністю непередбачуваною, і обидва варіанти неприйнятні. На практиці за багатьох обставин можна впевнено працювати з класичною гравітацією, пов’язаною зі Стандартною моделлю. Наприклад, це постійно роблять при описі сучасного Всесвіту. Однак теорія квантової гравітації необхідна для вивчення моментів часу, близьких до Великого вибуху, і деяких властивостей чорних дір. Формулювання квантової теорії, яка включала б гравітацію та інші сили, видається принципово необхідним. Для побудови такої повної теорії може знадобитися об’єднання гравітації з іншими силами.
Теорія струн як єдина фізична теорія
Теорія струн є чудовим кандидатом на єдину теорію всіх сил у природі. Крім того, це досить вражаючий прототип повної фізичної теорії. У теорії струн усі взаємодії справді об’єднані на глибокому та значущому рівні. Насправді об’єднані всі частинки. Теорія струн — це квантова теорія, і, оскільки вона включає гравітацію, ця теорія є квантовою теорією гравітації. Розглядаючи її з цього погляду і згадуючи невдачі спроб перетворити ейнштейнівську гравітацію на квантову теорію, можна дійти висновку, що в теорії струн усі інші взаємодії необхідні для узгодженості сектору квантової гравітації! Хоча безпосередньо виміряти ефекти квантової гравітації досить складно, теорія квантової гравітації, подібна до теорії струн, може передбачити явища, що стосуються інших взаємодій і можуть бути перевірені.
Чому теорія струн справді є теорією об’єднання? Причина проста і корениться в основних положеннях теорії. У теорії струн кожна частинка ототожнюється з конкретною коливальною модою елементарної мікроскопічної струни. У цьому випадку дуже доречна музична аналогія. Так само як скрипкова струна може коливатися в різних модах, причому кожна мода відповідає певному звуку, так і моди коливань фундаментальної струни можна зіставити з різними відомими нам частинками. Одним із коливальних станів струн є гравітон — квант гравітаційного поля. Оскільки існує лише один тип струн і всі частинки виникають із коливань струн, то, як наслідок, усі частинки природно включаються в одну
Рис. 1. Розпад $\alpha \to \beta +\gamma$ як процес взаємодії частинок (ліворуч) і струн (праворуч).
Чому ми впевнені, що теорія струн є доброю квантовою теорією гравітації? Повної впевненості досі немає, але є дуже вагомий аргумент. Справді, схоже, у теорії струн не виникає проблем необчислюваності або браку передбачуваності, що виникають при спробі квантування теорії Ейнштейна.
Для такої амбітної теорії, як теорія струн, очевидно, бажаний певний ступінь однозначності. Наявність кількох несуперечливих кандидатів на роль теорії всіх взаємодій була б розчаруванням. Першою ознакою того, що теорія струн є достатньо однозначною, є те, що в ній немає налаштовуваних безрозмірних параметрів. Як зазначалося раніше, у Стандартній моделі фізики частинок є близько двадцяти параметрів, які потрібно налаштувати, надавши їм точних значень. Насправді теорія з налаштовуваними безрозмірними параметрами не є однозначною. Коли параметри набувають різних значень, отримуємо різні теорії з потенційно різними передбаченнями. У теорії струн є один розмірний параметр — довжина струни $l_s,$ значення цього параметра можна приблизно уявляти як типовий розмір струн.
Іншою інтригуючою ознакою однозначності теорії струн є те, що розмірність простору-часу виявляється фіксованою. Наш фізичний простір-час чотиривимірний, з одним часовим і трьома просторовими вимірами. У Стандартній моделі ця інформація використовується для побудови теорії, вона не виводиться. А в теорії струн кількість просторово-часових вимірів випливає з обчислень: їх виходить не чотири, а радше десять. Деякі з цих вимірів можуть бути приховані від безпосереднього погляду, якщо вони згорнуті у простір настільки малих розмірів, що їх неможливо виявити експериментально за низьких енергій. Якщо теорія струн правильна, має існувати якийсь механізм, який забезпечує те, що спостережувана розмірність простору-часу дорівнює чотирьом.
Відсутність налаштовуваних безрозмірних параметрів — ознака однозначності теорії струн: це означає, що теорію не можна неперервно деформувати або змінити шляхом зміни цих параметрів. Але ж можуть існувати інші теорії, які неможливо отримати шляхом неперервних деформацій. То скільки ж існує теорій струн?
Почнімо з того, що ці теорії мають два великі підрозділи: є відкриті та замкнуті струни. Відкриті струни мають два кінці, тоді як замкнуті струн кінців не мають. Можна розглядати теорії лише із замкнутими струнами та теорії, у яких є як замкнуті, так і відкриті струни. Оскільки відкриті струни в загальному випадку можуть замикатися, утворюючи замкнуті струни, ми не розглядаємо теорій лише з відкритими струнами. Другий поділ на підрозділи полягає в розгляді теорій бозонних струн і теорій суперструн. Бозонні струни живуть у 26 вимірах, і всі їхні коливання є бозонами. Оскільки в цих теоріях немає ферміонів, теорії бозонних струн нереалістичні. Однак вони набагато простіші за теорії суперструн, і більшість важливих понять теорії струн можна пояснити в межах теорії бозонних струн. Суперструни живуть у десятивимірному просторі-часі, і спектр їхніх станів включає як бозони, так і ферміони. Насправді ці два набори частинок пов’язані перетворенням суперсиметрії, тому суперсиметрія є важливою складовою теорії струн. Усі реалістичні моделі теорії струн побудовано із суперструн. У всіх теоріях струн гравітон виникає як коливальна мода замкнутої струни — у теорії струн гравітація неминуча.
До середини 1980-х рр. було відомо про існування п’яти десятивимірних теорій суперструн. У наступні роки було виявлено багато внутрішніх зв’язків між цими теоріями. Крім того, шляхом переходу до певної границі сильного зв’язку в межах однієї з теорій суперструн було виявлено нову теорію. Ця теорія одинадцятивимірна і, за браком кращої назви, її назвали M-теорією. Тепер стало зрозуміло, що п’ять теорій суперструн і M-теорія є просто сторонами або різними граничними випадками однієї-єдиної теорії! Нині ця єдина теорія залишається багато в чому загадковою. Схоже, що менш перспективні теорії бозонних струн не пов’язані з павутиною суперструнних теорій, але в майбутньому цей погляд може змінитися.
Підсумовуючи, ми бачимо, що теорія струн є справді єдиною і, можливо, єдино можливою теорією. Це кандидат на роль єдиної фізичної теорії, тієї теорії, яку Альберт Ейнштейн прагнув побудувати відразу після створення загальної теорії відносності. Можливо, Ейнштейн був би здивований, а може, і засмучений тією важливою роллю, яку в теорії струн відіграє квантова механіка. Але схоже, що теорія струн є гідною наступницею загальної теорії відносності. Майже напевно теорія струн породить нове уявлення про простір-час. Особливе становище квантової механіки в теорії струн не мало б здивувати Поля Дірака. Його праці з квантування показують, що він відчував: із квантування класичної фізики можуть виникнути глибокі квантові теорії. Саме це й сталося в теорії струн. Ця книжка докладно пояснить, чому теорія струн, принаймні в її найпростішій формі, є не чим іншим, як квантовою механікою класичних релятивістських струн.
Теорія струн та її перевірка
Від самого початку слід сказати, що досі немає експериментального підтвердження теорії струн. Щоб отримати таке підтвердження, потрібно мати чітке передбачення. Таке передбачення важко отримати. Теорія струн усе ще перебуває на ранній стадії розвитку, і не так просто робити передбачення за допомогою не до кінця зрозумілої теорії. Проте існує низка цікавих можливостей.
Як зазначалося вище, теорія суперструн оперує десятивимірним простором-часом — одним часовим і дев’ятьма просторовими вимірами. Якщо теорія струн правильна, мають існувати додаткові просторові виміри, навіть якщо ми їх досі не спостерігали. Чи можна перевірити існування таких додаткових вимірів? Якщо додаткові виміри мають розмір планківської довжини $l_P$ (шкала масштабів, пов’язаних із чотиривимірною гравітацією), вони перебуватимуть, можливо, назавжди, за межами безпосередньої реєстрації. Справді, $l_P\sim 10^{-33}$ см, і ця відстань на багато порядків менша за $10^{16}$ см — найменшу відстань, яку можна дослідити за допомогою прискорювачів частинок. Вважалося, що такий сценарій найімовірніший. Припускалося, що в теорії струн шкала масштабів 4 збігається з планківською довжиною, і в цьому разі додаткові виміри також матимуть планківські розміри.
Однак виявилося, що теорія струн допускає існування додаткових вимірів із розмірами порядку однієї десятої міліметра! Дивно, що додаткові виміри таких розмірів могли залишитися непоміченими. Щоб таке сталося, довжина струн $l_s$ має бути порядку $10^{18}$ см. Крім того, наш тривимірний простір виявляється гіперпростором, зануреним у дев’ятивимірний простір. Гіперпростір, або багатовимірна мембрана, називається D-браною. У теорії струн ці D-брани є реальними фізичними об’єктами. У цій схемі існування додаткових вимірів можна перевірити лише гравітаційними експериментами. Додаткові виміри, якщо вони достатньо малі, але більші за $l_P,$ можуть виявитися в експериментах на прискорювачах частинок. Якщо додаткові виміри буде виявлено на прискорювачах, це стане вагомим свідченням на користь теорії струн. Можливе навіть безпосереднє спостереження струн.
Вражаюче підтвердження теорії струн може з’явитися в результаті відкриття космічної струни. Космічна струна, що залишилася від процесів, які відбувалися в ранньому Всесвіті, може простягатися від одного краю спостережуваного Всесвіту до іншого і може бути виявлена завдяки гравітаційному лінзуванню або, більш опосередковано, шляхом виявлення гравітаційних хвиль. Дотепер не виявлено жодних космічних струн, проте пошуки не вичерпали себе і тривають. Якщо космічну струну буде знайдено, її слід докладно вивчити, щоб підтвердити, що це струна з теорії струн, а не інший вид струни, який може виникнути в загальноприйнятих теоріях фізики частинок.
Інша можливість перевірки теорії пов’язана із суперсиметрією. Якщо ми виходитимемо з десятивимірної теорії суперструн і компактифікуємо шість додаткових вимірів, отримана чотиривимірна теорія буде в більшості випадків суперсиметричною. Жодних однозначних передбачень щодо конкретних деталей чотиривимірної теорії не виникає, але сама наявність суперсиметрії є досить характерною властивістю. Експериментальне виявлення суперсиметрії на майбутніх прискорювачах стане дуже вагомим свідченням того, що теорія струн на правильному шляху.
Залишаючи осторонь передбачення нових явищ, слід запитати себе, чи виникає Стандартна модель з теорії струн. Так має бути, тому що припускається, що теорія струн є єдиною теорією всіх взаємодій, і тому вона має зводитися до Стандартної моделі за достатньо низьких енергій. Хоча в теорії струн вистачає місця для всіх відомих частинок і взаємодій, що, безумовно, є доброю новиною, ніхто ще не зміг показати в усіх деталях, як вони виникають. Низка моделей, що використовують D-брани та мають надзвичайну схожість із відомим нам світом. Насправді в цих моделях склад частинок точно такий самий, як у Стандартній моделі (щоправда, частинки виходять із нульовою масою, і незрозуміло, чи правильно працює механізм, який надає їм маси). Наш чотиривимірний світ є частиною D-бран, але виявляється, що ці D-брани мають більш як три просторові виміри. Додаткові виміри D-бран згорнуті в компактний простір (далі ми дізнаємося, як уявляти такі конфігурації!). Калібрувальні бозони та частинки матерії в моделі виникають із коливань відкритих струн, натягнутих між D-бранами. Ми покажемо, що кінцеві точки відкритих струн мають залишатися прикріпленими до D-бран. Якщо хочете, для струн можна навести музичну аналогію: так само, як струни скрипки натягнуті між кілками, D-брани фіксують кінцеві точки відкритих струн, найнижчі коливальні моди яких можуть представляти частинки Стандартної моделі!
Теорія струн, як і ейнштейнова теорія тяжіння, має загадкову властивість. Рівняння тяжіння Ейнштейна допускають багато космологічних розв’язків. Кожен розв’язок представляє несуперечливий всесвіт, але лише один із них представляє наш спостережуваний Всесвіт. Не так легко пояснити, що саме відбирає фізичний розв’язок, але в космології це роблять за допомогою аргументів, заснованих на початкових умовах, симетрії та простоті. Що менше розв’язків має теорія, то вона передбачуваніша. Якщо множина розв’язків характеризується неперервними параметрами, відбір розв’язку рівнозначний налаштуванню значень параметрів. Отже, теорія, формулювання якої не потребує налаштовуваних параметрів, може породжувати такі параметри шляхом вибору своїх розв’язків! Очевидно, що в теорії струн набір розв’язків (моделей струн) характеризується як дискретними, так і неперервними параметрами.
З огляду на ці зауваження можна запитати: якими можуть бути результати пошуку реалістичної моделі струн? Зрозуміло, що для відтворення Стандартної моделі струнна модель не повинна мати неперервних параметрів: такі параметри вимагають існування безмасових полів, яких експериментально не спостерігали. Один можливий результат (найгірший) полягає в тому, що жодна модель струн не відтворює Стандартної моделі. Це виключило б теорію струн із розгляду. Інший можливий результат (найкращий) полягає в тому, що одна модель струн відтворює Стандартну модель. Крім того, модель зображується добре ізольованою точкою в просторі всіх струнних розв’язків; отже, параметри Стандартної моделі можна передбачити. Кількість моделей струн може бути настільки великою, що виникне дивна можливість: безліч моделей струн із майже однаковими властивостями узгоджуються зі Стандартною моделлю з певною точністю. У цьому разі буде втрачено передбачувальну силу. Можливі й інші результати.
Теорія струн природним чином включає теорію гравітації Ейнштейна
Теоретики струн іноді стверджують, що теорія струн уже привела принаймні до одного успішного передбачення: вона передбачила гравітацію! У цьому твердженні є частка жарту, проте я вважаю, що воно містить дуже важливу думку. Теорія струн — це квантова механіка релятивістської струни. Гравітацію ніколи і в жодному сенсі не вводили в теорію струн ззовні. Дивовижно, але гравітація виникає в теорії струн. Справді, жодне з коливань класичної релятивістської струни не відповідає частинці тяжіння, але ми виявляємо частинку тяжіння серед квантових коливань релятивістської струни. Читаючи цю книгу сторінку за сторінкою, ви докладно побачите, як це відбувається. Вражаюча квантова поява гравітації в теорії струн цілком відповідає передбаченню.
Розвиток і перспективи
Теорія струн стала дуже популярною та активною галуззю досліджень відтоді, як Майкл Грін і Джон Шварц у 1984 р. показали, що суперструни не зазнають фатальних суперечностей, які руйнують аналогічні теорії частинок у десяти вимірах. Відтоді було досягнуто значного прогресу.
Теорія струн породила новий цікавий погляд на звичайні теорії фізики частинок, особливо калібрувальні теорії. Саме такі типи теорій використовують для формулювання Стандартної моделі. Близькі родичі цих калібрувальних теорій виникають на D-бранах теорії струн.
Теорія струн також запропонувала цікаву статистичну інтерпретацію ентропії чорної діри. З піонерських праць Якоба Бекенштейна і Стівена Гокінга ми знаємо, що чорні діри мають як ентропію, так і температуру. У статистичній механіці ці властивості виникають, якщо систему можна побудувати з базових компонентів багатьма виродженими способами. Така інтерпретація неможлива в ейнштейновій теорії гравітації, де чорні діри або взагалі не мають складових частин, або їх дуже мало. Проте в теорії струн можна побудувати чорні діри, збираючи різні типи D-бран і струн. Для таких чорних дір передбачувану ентропію Бекенштейна отримують підрахунком кількості способів, якими їх можна побудувати зі складових D-бран і струн.
Теорія струн може знадобитися для вивчення космології Дуже Раннього Всесвіту. Вона може надати конкретну модель інфляції — періоду драматичного експоненціального розширення, яке Всесвіт, схоже, пережив у найперші миті. Теорія інфляції припускає, що наш Всесвіт схожий на зростальну бульбашку або область простору, що розширюється. Бульбашки продовжують виникати весь час, і кожна модель могла б фізично реалізуватися в якійсь бульбашці. Інфляція виникла не нескінченно давно, тож, схоже, необхідний якийсь початок. Найглибші загадки Всесвіту, здається, приховані в режимі, за якого класична загальна теорія відносності справді порушується. Теорія струн допоможе нам зазирнути в цю незвідану область. Колись ми зможемо зрозуміти, як виник Всесвіт, якщо це сталося, або як Всесвіт міг існувати вічно в минулому, якщо це справді було так.
Відповіді на такі запитання, найімовірніше, потребуватимуть досконалого володіння теорією струн, яке зараз лежить за межами наших можливостей. Насправді теорія струн є незавершеною теорією. Це можна пояснити шляхом порівняння з теорією Ейнштейна: рівняння загальної теорії відносності Ейнштейна елегантні й геометричні, вони включають концептуальні основи теорії та цілком придатні для опису гравітації. У теорії струн жодні подібні рівняння невідомі, а концептуальна основа теорії залишається значною мірою невідомою. Теорія струн є захопливою галуззю досліджень, оскільки її основні ідеї ще належить віднайти.
Опис природи та формулювання теорії — ось сучасні виклики теорії струн. Якщо вдасться подолати ці труднощі, ми отримаємо теорію всіх взаємодій, яка дасть змогу представити еволюцію простору-часу та розгадати загадки квантовомеханічного Всесвіту. За таких великих ставок фізики воліють розвивати теорію струн, доки не будуть отримані певні відповіді.
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):