Просто о теории струн

Основы теории струн, которые должен знать образованный человек в XXI веке.

Наука стала популярной. Люди спешат посмотреть «Теорию большого взрыва» и «Интерстеллар». В интернете куча репостов с фотографиями Марса. Шутки про кота Шредингера ведут себя, как кот Шредингера — они то ли есть, то ли нет.

Не понимать основы науки стыдно, а понимать — интересно.

Разобраться во всем непросто. Как бывает: услышал о чем-то, не понял, полез искать в Википедию. Открыл — а там куча непонятных формул. Посмотрел, закрыл. Ничего не понял. Я месяц листал такие страницы, пока не разобрался в материале для этой статьи.

Увидел интегралы, почесал затылок

Попробуем не как в Википедии. Без формул и кучи терминов посмотрим на основы теории струн.

Частицы и кванты

В школе мы узнали, что все объекты в мире собраны из частиц. Представить это просто: человек состоит из молекул, молекулы из атомов, атомы из электронов и ядра. Электроны уже не делятся, а ядро можно продолжать делить дальше. Частицы, из которых состоят объекты, называются частицами материи.

Все состоит из частиц

Частицы мы представляем безразмерными точками. Если электрон будет не точкой, а маленьким шаром, то мы расколем его пополам. А половины электрона не бывает.

Все объекты в мире взаимодействуют друг с другом. Фонари освещают улицы, молекулы притягиваются, предметы падают на землю. Физики решили, что все взаимодействия тоже можно представить с помощью частиц.

Они вывели, что взаимодействия — вид энергии, и поделили ее на порции. Такой подход называется в физике квантованием, а сами порции — квантами. Кванты — частицы взаимодействия. Из всех взаимодействий легче всего представить свет. Фонарь освещает улицу квантами света — фотонами.

Свет тоже частицы

Струны и частицы

Идея теории струн в том, что мир состоит не из частиц. То, что мы представляли, как частицы, с более близкого расстояния оказывается вибрирующими нитями. Они называются струнами.

У струн нет толщины, есть только длина. Они могут быть открытыми, со свободными концами или замкнутыми, соединенными в кольцо.

Замкнутые и открытые струны

Разобраться, как ведут себя струны, поможет гитара. Вы берете ее в руки и ударяете по струнам, они вибрируют и появляется звук. Зажимаете струны на грифе, и ноты меняются. Бьете по струнам сильнее, звук становится громче.

Понять теорию струн поможет гитара

В теории струн так же: каждая струна колеблется по-своему. Если одна колеблется сильнее другой, значит у нее энергия больше. От того, как «зазвучит» струна, какая энергия у нее будет, зависит за какую частицу мы ее примем. Одна сыграет ноту «до» и перед нами фотон, другая сыграет «ре» — получится электрон. Складываясь вместе, такие струны-ноты образуют все частицы материи и все частицы взаимодействий.

Размер струны очень мал — примерно 10−33 см. На Земле мы такие числа не представим, для этого выберемся за пределы Солнечной системы. Размер струны относится к диаметру атома водорода, как длина кофейного зерна к расстоянию от Земли до галактики Андромеды. Струны — самые маленькие объекты на свете. Объектов меньше не существует.

Гравитация и струны

Физики привыкли работать с частицами: теория отработана, эксперименты сходятся. Ядерные реакторы и атомные бомбы рассчитываются с помощью частиц. С одной оговоркой — во всех расчетах не учитывается гравитация.

Гравитация — это притяжение тел. Когда говорим о гравитации, представляем земное притяжение. Телефон падает из рук на асфальт под действием гравитации. В космосе Луна притягивается к Земле, Земля к Солнцу. Все в мире притягивается друг к другу, но чтобы почувствовать это, нужны очень тяжелые объекты. Мы ощущаем притяжение Земли, которая в 7,5×1022 раз тяжелее человека, и не замечаем притяжения небоскреба, который тяжелее в 4×106 раз.

7,5×1022 = 75 000 000 000 000 000 000 000

4×106 = 4 000 000

Гравитацию описывает общая теория относительности Эйнштейна. В теории массивные объекты искривляют пространство. Чтобы понять, выйдите в детский парк и положите на батут тяжелый камень. На резине батута появится воронка. Если положить на батут маленький шарик, то он скатится по воронке к камню. Примерно так планеты образуют воронку в пространстве, а мы, как шарики, падаем на них.

Планеты настолько массивные, что искривляют пространство

Для того чтобы описать все на уровне элементарных частиц, гравитация не нужна. По сравнению с другими силами, гравитация так мала, что ее просто выкинули из квантовых расчетов. Сила земной гравитации меньше силы, удерживающей частицы атомного ядра, в 1038 раз. Это справедливо почти для всей вселенной.

1038 = 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

Единственное место, где гравитация так же сильна, как и другие взаимодействия — внутри черной дыры. Это гигантская воронка, в которой гравитация сворачивает само пространство и втягивает все, что рядом. Даже свет залетает в черную дыру и обратно не возвращается.

Чтобы работать с гравитацией как с другими частицами, физики придумали квант гравитации — гравитон. Провели расчеты, но они не сошлись. Вычисления показывали, что энергия гравитона растет до бесконечности. А такого быть не должно.

Физики сначала придумывают, потом ищут. Бозон Хиггса придумали за 50 лет до открытия.

Проблемы с расходимостями в расчетах пропали, когда гравитон рассмотрели не как частицу, а как струну. Струны имеют конечную длину и энергию, поэтому энергия гравитона может расти только до определенного предела. Так у ученых появился работающий инструмент, с помощью которого они изучают черные дыры.

Успехи в изучении черных дыр помогают понять, как появилась вселенная. По теории Большого взрыва мир вырос из микроскопической точки. В первые мгновения жизни вселенная была очень плотной — в малом объеме собрались все современные звезды и планеты. Гравитация не уступала в силе другим взаимодействиям, поэтому знание эффектов гравитации важно для понимания ранней вселенной.

Успехи в описании квантовой гравитации — шаг к созданию теории, которая опишет все на свете. Такая теория объяснит, как вселенная родилась, что в ней происходит сейчас, и каким будет ее конец.

Основы теории струн в пяти предложениях

Подведем итоги.

  1. Мир состоит из мельчайших объектов, похожих на струны.
  2. Все струны колеблются, как на гитаре, получаются разные «ноты».
  3. Разные «ноты» образуют разные частицы, частицы мы изучали еще в школе.
  4. Струны помогли описать гравитацию на уровне элементарных частиц.
  5. С помощью струн физики изучают сверхмассивные объекты — черные дыры.

Я описал основы теории струн: что такое струна и как из них собирается мир. Потом на примере разобрал, как теории струн решила проблему квантовой гравитации.

Много интересного осталось нерассказанным. Мир в теории струн 10-мерный. Мы чувствуем 4 измерения: ширину, длину, высоту и время. Куда деваются еще шесть? Теория струн сначала разделилась на несколько направлений, а потом объединилась в одну. Но рассматриваются там уже не струны, а мембраны. Хотите об этом узнать — посмотрите рекомендованные видео и статьи, в них много интересного.

Рекомендованные материалы

Плюсануть
Поделиться
Отправить
Класснуть
Запинить

Вступительное задание в Школу редакторов

© 2016 Андрей Ерес
Эл. почта: andrei.eres@ya.ru