Днес научната картина на света се формира по такъв начин, че нашата Вселена се управлява от два групи закона - обща относителност, която обяснява чудесната работа на гравитацията, и квантова механика, която описва другите три взаимодействия на Вселената (силен ядрен, слаб ядрен и електромагнетизъм). Можете да вземете тези закони и да ги приложите към неща в голям мащаб - планети, галактики и след това към най-малките скали - протони и неутрони. Но защо природата направи два отделни закона за Вселената?
Теорията на суперструните е опит да се отговори на два въпроса: Има ли начин да се комбинира общата относителност и квантовата механика, за да се създаде „теория за всичко“? От какво се състои всичко това?
Теория за суперструните
Мислехме, че градивните елементи на живота са атоми, най-малките компоненти на материята. Но тогава ударихме атомите и намерихме елементарни частици, толкова малки, че дори не можем да ги видим, без да се променим по определен начин. За да видим нещо, първо се нуждаем от светлината, за да отскочим от обекта и да ударим очите си, съставяйки картината. Светлината се състои от електромагнитни вълни, които свободно преминават през елементарни частици. Можем да направим тези вълни по-плътни, да им добавим енергия, така че да удрят частиците и ние да ги видим, но щом нещо удари частицата, тя се променя, така че не можем да я видим в първоначалното си състояние. Нямаме представа как изглеждат елементарните частици. Подобно на тъмната енергия, тъмната материя, ние не можем да наблюдаваме тези явления директно, но имаме основание да вярвамече те съществуват.
Ние разглеждаме тези частици като точки в пространството, въпреки че в действителност не са. При всичките му недостатъци този метод - идеята за квантовата механика, че силите се носят от частици - ни дава доста добра представа за Вселената и води до пробиви като квантови разтворители и влакове за магнитна левитация. Общата относителност сама по себе си също издържа добър тест на времето, обяснявайки неутронните звезди и орбиталните аномалии на Меркурий, предсказвайки черни дупки и крива светлина. Но уравненията на общата относителност, за съжаление, спират да работят в центъра на черната дупка и в навечерието на Големия взрив. Проблемът е, че е невъзможно да ги обединим, защото гравитацията е свързана с геометрията на пространството и времето, когато разстоянията се измерват точно, но в квантовия свят няма как да се измери нещо.
Когато учените се опитаха да измислят нова частица, която да се ожени за гравитацията с квантовата механика, математиката им просто не успя.
В известен смисъл трябваше да се върна към дъската. Затова учените предполагат, че най-малките компоненти на Вселената не са точки, а струни. Различните вибрации на струните създават различни елементарни частици като кварки. Вибриращите струни могат да съставят цялата материя и четирите сили във Вселената - включително гравитацията.
Промоционално видео:
По-високи размери
Теорията за суперструните има проблем. Няма да работи, ако приемем, че има само три пространствени измерения и едно временно измерение, в което живеем. Теорията на струните изисква да играете поне десет измерения.
Когато GR беше замислен за първи път, гравитацията изкриви пространството и времето, за да опише тази сила. Следователно, ако някой искаше да опише друга сила, като електромагнетизма, ще трябва да добави ново измерение. Учените написаха уравнения, описващи кривите и дефектите на Вселената с допълнително измерение и получиха оригиналното уравнение на електромагнетизма. Невероятно откритие.
Допълнителните измерения на теорията на струните могат да ни помогнат да обясним защо числата в нашата Вселена са толкова калибрирани, че позволяват всичко да съществува. Например, защо скоростта на светлината е 299,792,458 метра в секунда? Те също се опитват да отговорят на въпроса за гравитацията - защо тази сила е толкова слаба? Тя е най-слабата от четирите основни взаимодействия: 1040 пъти по-слаба от електромагнитната сила. Ще бъде достатъчно просто да се наведете и да вдигнете книгата от пода, за да й устоите. На теория това е така, защото гравитацията прониква в по-високи измерения. Гравитацията се състои от затворени нишки, които й позволяват да напусне нашето измерение, за разлика от отворените нишки, които са по-добре заземени.
Защо не можем да видим всички тези измерения?
Защото те съществуват на толкова малко ниво, че са невидими за нас и се противопоставят на откриването. Те са компактни, оборудвани по такъв начин, че възпроизвеждат физиката на нашия свят, сгъвайки се в интересни форми на Калаби-Яу. Различните форми на Калаби Яу позволяват различни вибрации на струните и много различни вселени.
Можем дори да тестваме предполагаеми множество вселени. Тъй като приемаме, че гравитацията прониква в по-високи измерения, след сблъсъка на две частици трябва да има по-малко време, отколкото преди сблъсъка. Но дори и при най-благоприятните условия, тестването на нещо подобно би било невероятно трудно, неуловимо.
Изчисленията на теорията на струните се извършват в симулирани вселени с 10 или 11 измерения, където работи математиката. След това учените се опитват да заличат допълнителните измерения, но засега никой не успя да опише нашата Вселена или да измисли експеримент, който да докаже теория. Това обаче не означава, че нямаме приложения за теория на струните.
Математическият инструмент, който се разработва като част от изследванията на теорията на струните, ни помага да разберем части от нашата Вселена. Можем да го използваме, за да обясним по-добре парадокса на информацията, квантовата гравитация и някои проблеми в чистата математика. Някои учени използват теорията за своите изчисления във физиката на частиците или когато наблюдават екзотични състояния на материята.
Теорията на струните може да не е теория на всичко, но поне е теория за нещо.
Иля Кел
