Теория струн

В 60-х годах прошлого века учёные постоянно экспериментально наблюдали за различными мельчайшими частицами и пытались объяснить их природу. В этих попытках объяснить и появилась теория струн. Идея была в следующем: всё это многообразие частиц, которое наблюдается, можно описать, как возбуждение одного и того же объекта, при том не точечного, а линейного, который назвали струной. Однако теория струн получила своё развитие немного в другом направлении. Сначала люди заметили, что среди возбуждений струны существую частицы, которых среди спектров адронов, сильно взаимодействующих частиц, не существует, однако существуют частицы, которые очень похожи на гравитоны, на возбуждение гравитационного поля. Учёные прошлого поколения, как правило, занимались поиском ответа на вопрос: «Как устроен мир?», а появление теории струн перевело эти обсуждения в русло: «Почему мир устроен именно так? Почему мы живем именно в 4-х мерном пространстве, а не в 2-х или 5-и мерном? Почему время отличается от пространства?» и так далее. Эти вопросы появлялись и раньше, но именно теория струн дала намек на то, что мы можем ответить на эти вопросы. Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации, которая может позволить объединить гравитацию с остальными тремя фундаментальными взаимодействиями, и, в случае успеха, будет построена так называемая «теория всего».

Теория суперструн

Попытки описать «теорию всего» привели к развитию теории струн. В 1971 году была создана обновлённая теория струн, которую назвали «теория суперструн». Обновление заключалось в том, что если первый вариант теории включал в себя описание только бозонов, то теория суперструн охватывает ещё и фермионы (бозоны и фермионы - это два различных типа элементарных частиц). При таком новом подходе к изучению теории струн исчезло множество противоречий, например, исчезла необходимость в введении частиц, которые называются тахионы. Это гипотетические частицы, движущиеся со скоростью, превышающей скорость света.

Однако, «теория суперструн» повлекла за собой и массу новых проблем, одна из которых заключается в том, что для каждого бозона должен существовать соответствующий фермион, то есть между бозонами и фермионами должна существовать определённая симметрия. Такой вид симметрии предсказывался и раньше — под названием «суперсимметрия». Проблема заключалась в том, что никто и никогда не наблюдал эти самые суперсимметричные фермионы. Объяснение тому нашли следующее: по расчётам, суперсимметричные фермионы должны обладать огромной для микромира массой, и потому в обычных условиях их не получить. Для того, чтобы зарегистрировать их, нужны огромные энергии, которые достигаются при столкновении лёгких частиц на почти световых скоростях. Кстати, это стало одной из причин строительства большого адронного коллайдера.

Заменив теорию струн на теорию суперструн, возникли новые проблемы. Одна из таких проблем заключалась в том, что уравнения квантовой теории никак не согласовывались с новой теорией. Однако решение этой проблемы пришло оттуда, откуда никто не ожидал. Ещё в 1919 году немецкий математик Клауца отправил Эйнштейну письмо, в котором изложил свою теорию о том, что наша Вселенная может иметь бесконечное количество измерений, и в доказательство своих слов приводил свои расчёты, из которых получалось, что при таком условии общая теория относительности замечательно согласовывается с теорией электромагнитного поля Максвелла, чего невозможно достичь в обычной трехмерной Вселенной. Эйнштейн не придал особого значения этому письму, однако в 1926 году физик Оскар Клейн заинтересовался работами Калуцы и усовершенствовал его модель. По Клейну получалось, что дополнительное измерение действительно может существовать, но оно находится в «свёрнутом» и зацикленном на самом себе виде. Причём свернуто четвёртое измерение очень туго — до размеров элементарных частиц, поэтому мы его и не замечаем. Теория получила название пятимерного мира Калуцы — Клейна (четыре измерения в пространстве плюс время) и была практически забыта за ненадобностью.

Только после появления теории суперструн физики вспомнили работы Клауцы и Клейна и начали применять их в попытках избавиться от противоречий в теории суперструн. Увеличив количество пространственных измерений до 9-и физики обнаружили, что в таком случае теория отлично согласуется с квантовой механикой и общей теорией относительностью. Таким образом учёные пришли к выводу, что мы живем в 10-и мерной Вселенной, где одно измерение временное, три знакомых нам измерения развернуты до космических размеров, а остальные шесть свёрнуты в микроскопических масштабах и поэтому незаметны.

М-теория

В конце концов физикам удалось установить общий вид шести свернутых измерений, необходимый для того, чтобы наш мир при этом оставался таким, какой он есть. Оказалось, что этот вид соответствует некоторым математическим объектам из группы под названием «Многообразия Яу», названного в честь китайского математика Шитун Яу. Однако имелась проблема. Хотя общий вид этих объектов и вычислили, но точный вид, как оказалось, нельзя установить без эксперимента. Без нахождения точного вида пространства Калаби-Яу нашей Вселенной вся теория струн скатывалась в серию практически безаргументных предположений. Впрочем, работы продолжались, и постепенно физикам удалось вычленить из общей массы пять гипотез, которые претендовали на то, чтобы описать нашу Вселенную. При том каждая из этих теорий претендовала на звание единственной верной, при этом они выглядели несовместимыми между собой. Однако в 90-х годах учёный Эдвард Виттен предположил, что возможно во Вселенной измерений не десять, а одиннадцать. Тем самым разрешилось достаточное количество противоречий, и те несовместимые теории объединились в одну, которую назвали М-теория. Согласно этой теории получили, что могут существовать не только струны, но и их аналоги с большей размерностью – мембраны или попросту браны (Материальная точка — 0-брана, струна — 1-брана, мембрана — 2-брана, и так далее).