Главная > Наука и вселенная

Теория струн

Ruslan / Фев.8.2011. / / Комментариев нет

Сотни учёных за работой, эксперименты, новые гипотезы … Никогда мы ещё не были так близки к «ключу», который откроет дверь в тайны космоса…

струны вселеннойВ последние годы жизни Эйнштейн «культивировал» одну мечту, — объяснить всю вселенную посредством одной теории, которая включала бы в себя и теорию относительности. Это ему не удалось, но идея «Теории всего», способной описать все аспекты природы, стала с тех пор мечтой физиков…

На сегодняшний день в науке самой продвинутой из попыток «объяснить всё» является так называемая «Теория струн». Она базируется на одной захватывающей идее: вся материя и все силы вселенной представляют собой некие тончайшие вибрирующие нити, каждая частица и каждая сила вселенной соответствуют одной определённой вибрации, наподобие музыкальной ноты.

«Священный Грааль» науки.

В античные времена философы не имели единого видения реальности, — замечали регулярность движения звёзд и планет, непредвиденность различных природных явлений, таких как пожары и наводнения. Пытались заключить всё в единую философскую систему или одну религию способную вместить в себя каждый уголок космоса. Но только в 17-ом веке Иссак Ньютон впервые написал математические формулы, объединившие земные явления ( вес предметов ) и небесные ( движения планет ).

Всё в одной теории.

С тех физики искали, со всё возрастающим упорством, «Теорию всего», способную описать всю реальность, от происхождения вселенной, до тайн чёрных дыр. Эйнштейну не удалось достичь этой цели. Но на сегодняшний день уже сделаны серьёзные шаги в этом направлении, называемом так же «Святым Граалем» физики. Были объединены 2 из 4 сил природных взаимодействий, выдвинута «Теория струн» и гипотеза «Голографического принципа» ( космос — это 3D-проекция двухмерного мира ). Если эти теории верны, то мы живём в реальности богатой скрытыми измерениями и параллельными мирами, которые мы когда-нибудь сможем достичь. Это мечта? Да. Но над ней сейчас работают самые блестящие умы нашего поколения.

Мы находимся на пороге глобальных перемен? Вероятно, да. «Ситуация в физике сегодня похожа ну ту, которая была столетие назад, когда мы были дезориентированы открытием радиоактивности»- слова лауреата нобелевской премии по физике Дэвида Гросса, директора Института Кавли Калифорнийского Университета. Его речь завершала 23-ю конференцию Solvay в Брюсселе. Там были собраны лучшие физики-теоретики мира ( 60 учёных, из которых 5 — лауреаты нобелевских премий ) чтобы подвести итоги в развитии «Теории всего» или «Универсальной теории». «В 1911 г. — вспоминал Гросс — взгляды учёных, объединённых на первой конференции Solvay ( на которой присутствовал так же Эйнштейн ), были в кризисе из-за открытия явления радиоактивности. Этот кризис привёл к революции нашего понимания атома и материи…А сегодня? Мы подвергаем глубокому пересмотру наши концепции пространства и времени, намного радикальней, чем это уже сделал Энштейн.»

конференция Solvay в Брюсселе

Мировое «собрание мозгов». Учёные на конференции по структуре пространства и времени Solvay в Брюсселе. Среди них 5 нобелевских лауреатов.

Маленькое нельзя.

Дорога, которую предстоит пройти, ещё не ясна, но уже сделаны некоторые шаги вперёд. По крайней мере достоверно ясно одно — отправным пунктом являются бесконечно малые отрезки пространства и времени, о которых только можно вести речь. Возможно с этой точки зрения можно сконструировать теорию способную, как никакая другая до этого, объяснить законы вселенной и существующие в ней взаимодействия, то есть «Теорию всего».

До начала 20-го века считалось, что просчитать что происходит на уровне таких маленьких расстояний, нужно помнить, что в микромире действуют законы квантовой механики и так называемый «принцип неопределённости», согласно которому невозможно точно определить как местоположение, так и скорость и направление движения одной, отдельно взятой частицы. Частицы подвержены квантовым флуктуациям, то есть непредвидимым вариациям позиции, скорости, энергии. «Согласно принципу неопределённости, эти флуктуации увеличиваются при уменьшении наблюдаемых размеров и сокращении наблюдаемых временных промежутков.» — объясняет Грин.

параллельные вселенные

Графическая иллюстрация параллельных вселенных.

На бесконечно малых расстояниях и отрезках времени, таких как длина Планка и время Планка ( 10 в минус сорок третьей степени секунды ) флуктуации достигают такой степени, при которой в пространстве возникает «пена» из чёрных дыр и пространственно-временных круговоротов, которые рождаются и исчезают в один миг. Если бы мы в своём воображении попали в эту «пену», то мы бы испытали на себе просто тотальный хаос: там нет ни пространства ни времени, прошлое и будущее постоянно меняются местами, и наше местоположение в пространстве не является чем то определённым.

Первым принцип неопределённости сформулировал 50 лет назад американский физик Джон Арчибальд Уилер, изобретатель термина «чёрная дыра». Но только сегодня эта идея развилась до уровня теории, претендующей на важную роль в создании «Теории всего». На данный момент мы имеем два наиболее «верных» направления, — «Теория струн», и ,так называемая «Loop quantum gravity».

Кванты пространства.

«Согласно Loop quantum gravity пространство не может делиться до бесконечности — объясняет Карл Ровелли, доцент Тосканского Университета ( Италия ) и один из основателей теории — но имеет гранулированную структуру, существуют как бы минимальные гранулы пространства, то есть пространство состоит из кусочков ( квантов ) размером около длины Планка. И, важно заметить, что эти гранулы не «находятся» в пространстве, а сами являются этим самым пространством».

Согласно этой теории, время тоже «гранулировано». «Оно не протекает как река, — говорит Ровелли — а движется рывками. Но мы этого не замечаем, потому что каждая гранула времени сравнима со временем Планка».

Круги без центра.

Однако самая популярная на сегодня теория — это «Теория струн», согласно которой все частицы Вселенной похожи на мельчайшие вибрирующие струны. В этом случае предполагается, что мельчайшая структура Вселенной определяется размером струны. «Их длина оценивается от нескольких десятков до сотни размеров Планка»- говорит один из основателей этой теории Габриэле Венециано, доцент Французского Колледжа в Париже — «в каком-то смысле эта оценка обусловлена пределом возможностей измерительных инструментов, то есть размером, о котором вообще имеет смысл говорить.»

Этот принцип намного более парадоксален, чем можно предположить на первый взгляд,- представим себе струну, замкнутую саму в себя как окружность, сразу же в воображении возникает центр этой окружности…но это представление ошибочно, поскольку базируется на нашем привычном восприятии пространства. Но, согласно «Теории струн», не может быть ничего размером меньше струны, и, соответственно, не может идти речь о чём-то внутри такой окружности, о её центре, например.
Всё это вероятно меняет наш способ думать о пространстве и времени, и даже может полностью разрушить эти две концепции как основу нашего описания реальности. Но фундаментальные принципы реальности находятся, скорее всего, вне пространства и времени. Сами понятия пространства и времени «всплывают» в нашем сознании как «кирпичики реальности», из которых мы построили своё восприятие этого мира.

Лучше пойти на пляж.

Во время дискуссий на конференции Solvay можно говорить абсолютно без концептуальных табу. Например о возможности существования двух временных измерений. Что это значит? Что вместо того, что мгновения времени пойдут как обычно, одно за другим как кадры в фильме, могут возникнуть некоторые ответвления в течении пространственно-временных событий ( как если бы снимки мгновений времени были беспорядочно разбросаны по столу ). Какие это повлекло бы последствия? Мы перестали бы отличать прошлое от будущего и причину от следствия. Как выразился один из учёных на конференции: «Может быть тогда мы вместо того, чтобы сидеть здесь и дискутировать, пошли бы загорать на пляж.»

Часто в физике моменты больших кризисов предвещают большую революцию. Возможно в будущем «Теория струн» и «Loop quantum gravity» сольются в одну «Теорию всего». возможно эти две теории развивают одну и ту же фундаментальную теорию с двух разных точек зрения. А может быть поворот в науке возникнет благодаря новой идее «голографической вселенной» ( об этом читайте пост «Модели вселенной» ).

Эксперименты.

Большой андронный коллайдер

Большой андронный коллайдер.

Недостатком современных теорий, однако, является то, что они потеряли контакт с реальностью. Их нельзя проверить экспериментально. В самом деле, не существует инструментов, способных наблюдать то, что происходит на «длине Планка». Самое маленькое, доступное для измерений на сегодняшний день расстояние, это «всего лишь» 10 в минус шестнадцатой степени см., приблизительно миллиардная часть диаметра атома. Возможно будущие эксперименты предоставят новую полезную информацию.

Например, ускоритель заряженных частиц (Большой андронный коллайдер), недавно построенный недалеко от Женевы в Швейцарии, сможет открыть новые частицы, предсказанные теоретически. А измерение со сверхвысокой точностью орбит планет может быть продемонстрирует существование скрытых измерений. Наблюдения за гравитационными волнами, возможно, смогут дать нам информацию о самых первых мгновениях после Большого взрыва, а может и об ещё более ранних (о самом «рождении времени»).

Оставить комментарий