Интересные факты о теории суперструн

В свое время велись ожесточенные споры по поводу будущего Вселенной. Одни ученые полагали, что расширение необратимо и будет продолжаться до тех пор, пока все вещество не распылится до нулевой плотности. Другие считали, что на смену расширению неминуемо придет сжатие, за которым последует новый взрыв. При этом и те и другие исходили из предположения, что наша Вселенная – единственная.
Сравнительно недавно, в середине прошлого века, появилась гипотеза о совершенно ином строении нашей Вселенной. Прежде всего было отмечено, что расширение границ нашего мира происходит с некоторым ускорением. Чем больше времени проходит с момента Большого Взрыва, тем быстрее отдаляются друг от друга галактики. А это означает, что на движение материи влияет какая-то внешняя сила, которая нейтрализует гравитационное притяжение. Андреас Альбрехт из Калифорнийского университета назвал этот неизвестный фактор «антигравитацией», просачивающейся в наш трехмерный мир из других вселенных, параллельных нашей.

Сразу же стоит заметить: речь идет не о фантастическом романе, где герои немыслимым образом проходят через портал в иные вселенные, а о научной теории. Предположение о существовании параллельных миров впервые прозвучало с научной кафедры в 1957 году от молодого физика Хью Эверетта в ходе защиты докторской диссертации. Эверетт выдвинул эту гипотезу для объяснения некоторых феноменов квантового мира. Большинство из них может быть описано только при помощи математического аппарата, но вот пример с «поведением» элементарных частиц известен почти всем любителям фантастики. Суть явления состоит в том, что элементарная частица теоретически находится сразу во многих местах пространства, в то время как измерение обнаруживает ее в конкретном месте. В свое время ходило немало шуток на тему влияния наблюдателя на ход эксперимента, однако явление нужно было объяснить.

Представители Копенгагенской школы утверждали, что в момент измерения частица «мгновенно стягивается» в определенное место благодаря воздействию измерительного прибора. Эверетт высказал другое предположение: каждая частица в действительности является совокупностью множества частиц, существующих в параллельных вселенных. В каждой из них «клон» частицы находится на определенном месте, а в момент измерения измерительный прибор делает реальной одну из этих параллельных вселенных. Другими словами, при каждом измерении происходит взаимодействие, в момент которого происходит выбор между несколькими параллельными реальностями. Исходя из этой теории, не только будущее, но и прошлое обладает вероятностью в зависимости от того, кто его изучает.

Параллельные миры Эверетта располагались рядом друг с другом в одном и том же трехмерном пространстве. Альбрехт предположил другой вариант: не множество вселенных, а одна – но многомерная. По мнению ученого, в нашей Вселенной пространство не трехмерно, а десятимерно. Остальные семь «лишних» измерений компактно упакованы. Компактизацию измерений можно проиллюстрировать хорошо знакомой физикам и математикам шуткой – ответом на вопрос, как найти в Африке слона. Вместо того чтобы бродить по бескрайним просторам, можно поступить иначе. Поверхность Африки трехмерна. Но ее можно спроецировать на плоскость – именно так и поступают при составлении географических карт. Любую плоскость можно спроецировать на прямую, а прямую, в свою очередь, – «свернуть» в точку. Именно в этой точке и будет находиться слон. Еще один пример, объясняющий «свертывание» лишних измерений: возьмем несколько очень тонких листочков бумаги, свернем их в трубочку. Если сделать это тщательно, у нас получится очень тоненький цилиндрик, который можно при желании представить как одномерную линию. Если капнуть на один из листков каплю чернил, она появится и на остальных листках. Примерно то же самое происходит и с антигравитацией – она, по мнению ученого, «просачивается» из других измерений.

При чем же здесь теория суперструн? Дело в том, что именно с ее помощью можно объяснить все приведенные феномены – и с поведением элементарных частиц, и с «просачиванием» антигравитации. Эта научная гипотеза вызвала мощный резонанс в научных кругах. Критики называли ее «всеобщей теорией всего», а сторонники полагали, что она может объяснить все не решенные до сих пор физические загадки.

Если не вдаваться в подробности и не использовать специальной терминологии, то струны – это первичные творения в видимой Вселенной. «Струнами» их можно назвать только условно, поскольку эти объекты не материальны. Их можно представить в виде замкнутых в петли струн или нитей, находящихся под чудовищным напряжением. Колебания суперструн с разной частотой порождают разную энергию (а следовательно – и массу) элементарных частиц. Таким образом, все разнообразие частиц в природе – это просто разные октавы одного и того же творения – струны. А следовательно, открывается масса возможностей для развития теории единого поля, которая будет охватывать все устройство мироздания.

Теория суперструн дает объяснение природе элементарных частиц, которые существенно отличаются от всего, к чему мы привыкли. Их нельзя считать «кирпичиками мироздания» – простейшими составляющими, из которых образуется все остальное, поскольку они способны к взаимным превращениям. Превращения происходят практически непредсказуемо: одна и та же элементарная частица может распасться несколькими способами, образовав при этом разные наборы других частиц. Но и это еще не все: у каждой из элементарных частиц (за исключением абсолютно нейтральных) есть античастица. При столкновении они аннигилируют. Элементарные частицы обладают также целым рядом характеристик (достаточно абстрактных), которые неспециалисту кажутся чем-то загадочным: «красота» («прелесть»), «очарование», «странность», «цвет».

Число обнаруженных элементарных частиц уже превысило 350 (вместе с античастицами). Лишь некоторые из них изучены сравнительно хорошо. А часть существует только в теории. В частности, гравитон – квант гравитационного поля – пока что не был обнаружен экспериментально. Впрочем, сторонники теории суперструн не теряют надежды доказать, что их точка зрения на устройство Вселенной – явление того же порядка, что и теория Эйнштейна. Ведь не напрасно же этот великий ученый предсказывал появление полного описания реальности и считал квантовую механику и теорию относительности лишь временным ее «заменителем».

Создание теории, которая бы полностью описывала реальность, – заветная мечта многих великих деятелей науки. Поэтому в последнее время ставятся многочисленные эксперименты, направленные на изучение гравитации. Профессор Эрик Эдельберг из Вашингтона пытается проверить теорию суперструн, исследуя гравитационное воздействие на сверхмалых расстояниях. Технически эксперимент довольно сложен. Он осуществляется при помощи крутильных весов, которые могут измерять действие гравитации под различными углами к притяжению Земли. Их диски подвешены на сверхтонкой проволоке из вольфрама. Один из дисков вращается, создавая гравитационный эффект, угол вращения отслеживается с помощью лазерного луча. Пока что группа профессора Эдельберга сумела сблизить диски крутильных весов на расстояние 100 микрон, но этого оказалось недостаточно ни для подтверждения теории, ни для ее опровержения. Сейчас ученые пытаются уменьшить расстояние до 10 микрон. Если при этом гравитационное взаимодействие между дисками будет отличаться от предсказанного общепринятой теорией, теория суперструн справедлива.

Академик Виталий Гинзбург не исключает, что при сверхмалых расстояниях, возможно, действуют иные законы, чем на больших расстояниях: «Что происходит с гравитацией на расстояниях в доли миллиметра? Неизвестно. Может быть, там другие законы. Может быть, какое-нибудь пятое измерение появится. Удастся это проверить – тогда будет сделано важнейшее фундаментальное открытие современности».
Поиски «свернутых» измерений продолжаются…

Источник: 100 удивительных загадок природы
Авторы: Сядро В., Иовлева Т., Очкурова О.