Вселенная - это бесконечная симфония струнного оркестра
(неизвестный автор из интернета)
Струны Вселенной
глава 1
Суперструны Вселенной
Позвонила моя соседка Наташа и позвала погулять в парке с собачками, у неё йоркширский терьер Луша, а у меня золотистый ретривер Юлька-Юлечка. И хотя они не сопоставимы по размерам и возрасту - Юльке восемь, она уже дамочка в годах, хотя игрунья и шалунья ещё та, а Луше всего полтора года и она весёлый, забавный щеночек - звоночек, но несмотря на это, наши собачки быстро нашли общий язык, подружились и хорошо гуляли вместе, собственно, как и мы с Наташей.
Она ждала меня у входа в парк, расположенного в двух шагах от дома. Луша весело залаяла, завиляла хвостиком и подбежала к Юльке, которая тоже приветствовала её и доброжелательно, для порядка, тявкнула разочек.
Мы шли по освещённой, заснеженной аллее. Под ногами хрустел недавно выпавший пушистый снежок, хмурое небо, томившее весь день своей грустью, очистилось, повеселело и радовало яркими звёздами.
- Повезло на Новый год с погодой - мороз небольшой, ветра нет, снег выпал, - Наташа остановилась. - Посмотри, какие звёзды на небе! А знаешь, я твой рассказ недавно прочитала, где ты о Теории струн рассказывала.
- Рассказывала, - смутилась я, - громко сказано. Просто пыталась высказать своё восхищение учёными, открывшими струны Вселенной. Моя заметка о струнах - это как восклицание "Вот это да! До чего же классно вы всё придумали!" А если говорить подробно...
- Подробно и расскажи мне, а то от гостей, друзей, детей и внуков так устаёшь за праздники. Не поверю, что ты ничего нового о струнах не узнала.
- Узнала, читала, это правда. Но я не имею никакого отношения ни к физике, ни к математике. Помнишь, раньше была серия книг, которая называлась "Компьютеры для чайников", подразумевая под "чайниками" таких домохозяек как мы.
- Вот ты и объясни Теорию струн домохозяйкам, нам ведь тоже интересно. Итак...
- Итак, - улыбнувшись, повторила я, - перед нами, представь себе, несколько (хотя их не счесть!) глобальных вопросов. Что представляет собой тот кирпичик, из которого построен весь мир, и почему моря, реки и океаны, леса и горы, радуга, звёзды, солнце и луна, то есть всё! устроено именно так, как мы видим. И что будет, если хотя бы один, но важный, винтик рухнет, сломается?
- Что будет? - серьёзно переспросила Наташа.
- Со школы, - продолжила я, - мы знаем строение атома:
1. В центре атома находится положительно заряжённое ядро.
2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре.
3. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов.
4. Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд.
С развитием физики элементарных частиц (их называют фундаментальными, неделимыми, бесструктурными) было выяснено, что протоны и нейтроны состоят из кварков. Было открыто много других элементарных частиц, и все они делятся на два класса:
1. фермионы или вещество
2. бозоны или переносчики взаимодействий
Развивалась не только физика элементарных частиц, но также квантовая механика, изучающая физические явления, в которых действие происходит на предельно микроскопических уровнях - внутри атома.
- Теория струн. Звучит красиво. Как же она появилась и почему? - торопила Наташа.
- Чтобы понять, почему возникла Теория струн, нужно сказать о Силах взаимодействия и о том, что на сегодня достоверно известно существование четырёх типов фундаментального Взаимодействия, это четыре Силы:
1. гравитационное взаимодействие -
сила притяжения или сила всемирного тяготения;
2. электромагнитное взаимодействие -
существует между частицами, обладающими электрическим зарядом,
и осуществляется через электромагнитное поле;
3. сильное взаимодействие -
действует в масштабах размера атомного ядра и менее;
4. слабое взаимодействие -
оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра и проявляется
на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра.
- А другие, новые виды взаимодействия обнаружены?
- Учёные ведут поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока какого-либо другого фундаментального взаимодействия не обнаружено. Речь идёт о поиске т.н. Пятой силы.
Бурное развитие квантовой физики и физики элементарных частиц породило желание учёных объединить все элементарные частицы и все виды фундаментального взаимодействия в Единую Физическую Теорию - Теорию Всего.
- Теория всего! - восхищённо повторила Наташа. - Звучит фантастически.
- Понимаешь, существующая Стандартная модель не работала в супер-микроскопических размерах атомного ядра. Точно также она не работала в супер-макроскопических масштабах - в космологии.
В 60-х годах 20 века физиков осенило: «Что если элементарные частицы вовсе и не частицы, а микроскопические тончайшие струны, а то, что мы наблюдаем в своих приборах, — это не траектория движения частицы, а траектория колебания, проходящего по струне?»
То есть, частица - это пляшущая нить энергии, похожая на вибрирующую струну. При вибрации этой струны появляются не ноты, а все частицы, из которых состоит наш мир.
- Это звучит невероятно!
- Да, невероятно. Наша Вселенная, согласно Теории струн, построена из огромного количества мельчайших нитей вибрирующей энергии, рождающей и Вещество и Взаимодействие. Таким образом, объединились материя и силы природы, и была создана Общая теория струн, которую ждал потрясающий успех на радость физикам теоретикам.
- Это была победа?
- Конечно. На определённом этапе.
Оказалось, Теория струн может свести все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной к одному — колебанию одномерной струны с соответствующим переносом энергии. Она также объясняла основные константы микромира с математической точки зрения. Становилось понятно, почему, например, массы элементарных частиц именно такие, какие есть, а не какие-то другие. Кроме того, теория струн давала надежду на чудо — объединение ОТО (Общей теории относительности) и квантовой механики в рамках одной теории. Однако...
- Всегда это "однако"!
- Как часто бывает, радость обретения Общей теории струн была омрачена.
Выяснилось, что она не работает во Вселенной, если... если Вселенная имеет только три пространственных измерения (длина, ширина, высота) и одно временное (время).
И тогда вспомнили о теории Калуцы-Клейна начала 20 века, предположившего совершенно невероятную и даже сумасшедшую идею о том, что наш мир содержит больше измерений, чем мы видим.
Предположив существование десяти(!) измерений, физики решили многие проблемные и сложнейшие математические уравнения, в которых наконец-то всё сошлось.
Так, в конце 70-х годов 20 века была создана Теория суперструн, которая открыла совершенно новое для физиков-теоретиков явление - Суперсимметрию.
- Никогда не слышала про понятие Суперсимметрия. Что это?
- Суть Суперсимметрии заключается в том, что для каждого фермиона (вещество) должен существовать соответствующий бозон (взаимодействие), то есть между бозонами и фермионами должна быть симметрия.
Однако, никто и никогда не наблюдал эти супер-симметричные фермионы.
Объяснение тому нашли простое: по расчётам, супер-симметричные фермионы должны обладать огромной для микромира массой, и поэтому в обычных условиях их невозможно получить. Для того, чтобы их зарегистрировать, нужны огромные энергии, которые достигаются при столкновении лёгких частиц вещества на почти световых скоростях.
- Какое же решение нашли учёные?
- В этот момент встал вопрос о Большом адронном коллайдере, среди задач которого стояло в том числе получение супер-симметричных фермионов и доказательство существования Дополнительных измерений в нашем "скучном" четырёхмерном мире. Поэтому около Женевы был построен Большой адронный коллайдер (БАК) - ускоритель заряжённых частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.
Нужно сказать ещё вот о чем.
За последние приблизительно сто лет в физике "накопилось" около двадцати Постоянных, например, масса электрона и кварка, гравитационная постоянная, магнитная постоянная, постоянная Планка и другие.
Все эти Постоянные связаны друг с другом с невероятной точностью, имеют строго определённые значения, и никто не может объяснить почему.
Более того, если бы вдруг хотя бы одна (одна!) Постоянная имела другое значение, то Вселенная в её настоящем виде не существовала бы.
- Как же всё взаимосвязано в мире!
- Теория суперструн предполагает, что Постоянные связаны с дополнительными измерениями.
- Но как можно обнаружить в четырёхмерном мире неизвестное измерение?
- Надежда на БАК. Надежда на то, что частицы, разогнавшиеся в тоннеле БАК до скоростей, близких к скорости света, столкнутся, и если это столкновение будет обладать достаточной энергией, то оно сможет вытолкнуть частицу из нашего измерения в другое, дополнительное.
- И учёные увидят это выталкивание?
- Если количество энергии (а мы вначале измерим её) после столкновения уменьшилось, значит, она утекла. И если эта "потерянная" при столкновении энергия будет утекать в соответствии с заранее вычисленной моделью, то это будет доказательством существования дополнительного измерения.
В настоящее время создана М-теория, которая объединяет разные виды Теории суперструн, поэтому...
- Поэтому продолжение следует, - закончила Наташа.
Мы шли по аллее парка.
Рядом не спеша бежали Юлька и Луша, они не лаяли и не убегали по своим делам, а были притихшие и серьёзные и как будто внимательно слушали нас. Кто знает, может быть в этот момент они находились в седьмом или десятом измерении?
Тихо падал снег, на ясном небе сияли звёзды среди миров...
Среди миров, в мерцании светил ***
Одной Звезды я повторяю имя,
Не потому, чтоб я Её любил,
А потому, что я томлюсь с другими.
И если мне сомненье тяжело,
Я у Неё одной ищу ответа,
Не потому, что от Неё светло,
А потому, что с Ней не надо света.
- Причём здесь стихи о любви?
- Трудно сказать...
информация о Теории струн и Теории суперструн взята из лекций:
Валерий Рубаков - физик-теоретик, академик РАН, доктор физико-математических наук
Дмитрий Гальцов - физик-теоретик, доктор физико-математических наук
Алексей Семихатов - физик-теоретик, доктор физико-математических наук
Андрей Линде - физик-теоретик, профессор
а также из Википедии и других открытых источников Интернета
*** Среди миров - Иннокентий Анненский