Теория струн (v2.0 — теория суперструн, v3.0 — M-теория) — теория в физике, реально претендующая на звание Единой теории всего.
Когда Эйнштейн в начале XX века разработал свою общую теорию относительности (ОТО) и уже полагал, что пришёл к успеху, другие физики показали ему большой кукиш, придумав квантовую механику. С самого начала Эйнштейн принял её в штыки (хотя сам стоял у истоков, и, что важно, получил нобелевку именно за квантовое решение проблемы фотоэффекта) — и, как впоследствии выяснилось, неспроста: оказалось, что ОТО и квантовая механика являются принципиально несовместимыми и игнорируют друг друга.
Стоит попытаться применять обе замечательные теории одновременно для описания, например, взаимодействия элементарных частиц или того, что происходит в чёрных дырах, как они выдают взаимоисключающие результаты, и хуже того — полученные значения заведомо абсурдны.
Некоторые личности делали вид, что всё так и должно быть, и каждая теория хороша в рамках границ своей применимости, а большего от них требовать и не нужно. Но других это как-то не устраивало.
ОТКУДА СТРУНЫ СУТЬ ПОШЛИ.
В 1968 году физики ВНЕЗАПНО заметили, что математическая функция, которая называется бета-функция Эйлера, идеально описывает свойства частиц, участвующих в так называемом сильном взаимодействии — одном из четырёх фундаментальных взаимодействий во Вселенной. Цимес был в том, что эта функция была исследована ещё в те времена, когда самого Эйнштейна ещё и в проекте не было, И применялась (барабанная дробь) в описании колебаний натянутых струн. И тут физиков осенило, да так, что потомки до сих пор расхлёбывают: «А 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 этой струне?»
Сначала вроде как был достигнут полный вин. Оказалось, что теория струн замечательно может свести все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной к одному — колебанию одномерной струны с соответствующим переносом энергии. Кроме того, она позволяет объяснить основные константы микромира с математической точки зрения. Становилось понятно, почему, например, массы элементарных частиц именно такие, какие есть, а не какие-то там другие.
Новая теория струн давала надежду на чудо — объединение ОТО и квантовой механики в рамках одной теории. При расчётах ВНЕЗАПНО выяснилось, что собственные колебания этих ваших струн способны гасить и уравновешивать квантовые флуктуации — да-да, устранять те самые возмущения на микроскопическом уровне, из-за которых ОТО и квантовая механика никак не хотели возлюбить друг друга. Вот это уже был не просто вин, а EPIC WIN!
Но при глубоком изучении выявились серьёзные противоречия следствий теории с экспериментальными данными. Например, в теории струн обязательно присутствовала частица, тахион, квадрат массы которой был меньше нуля. Ну ты понел, да? У нее масса получалась мнимая.
«Жаль, красивая была идея», — вздохнули физики и выкинули новорожденную теорию струн на мороз.
СУПЕРСИММЕТРИЯ, ВСЕ ДЕЛА.
В 1971 году была создана обновлённая теория струн, уже под названием «теория суперструн». Обновление заключалось в том, что если первый вариант теории включал в себя описание только бозонов, то теория суперструн схавала ещё и фермионы. Бозонами называются те частицы, которые имеют целочисленный спин. Фермионы — те, у кого спин полуцелый.
И тут все поняли, что при таком подходе проблема ненужных тахионов, как и множество других противоречий, исчезает! EPIC WIN ещё раз!
Но теперь получалось, 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 простое: по расчётам, они должны обладать огромной для микромира массой, и потому в обычных условиях их хрен получишь. Для этого нужны огромные энергии, которые достигаются при столкновении лёгких частиц на почти световых скоростях.
Неизвестно, кому физики продали душу, но в итоге им удалось разжалобить больших дядь на серьёзные бабки для строительства Большого адронного коллайдера и пары коллайдеров поменьше. Да-да, именно так — одной из целей воздвижения этой НЁХ было именно получение суперсимметричных фермионов. Пока вроде результатов нет, следите и запасайтесь попкорном.
МНОГОМЕРНАЯ ВСЕЛЕННАЯ, или Как физики ушли в атсрал.
Не успели физики прийти в себя после празднования новой теории, как во все дыры полезли новые глюки. На этот раз удар под дых сделала квантовая теория, чьи уравнения никак не хотели согласовываться с теорией суперструн, выдавая в результате отрицательные или бо́льшие единицы вероятности. В итоге помощь пришла оттуда, откуда совсем не ждали.
Ещё в далёком 1919 году никому тогда не известный немецкий математик Калуца прислал Эйнштейну письмо, где изложил свою теорию: наша Вселенная, вполне может статься, не трехмерная, а измерений может иметься более 9000. По крайней мере, при введении четвёртого измерения в пространстве ОТО замечательно согласовывается с теорией электромагнитного поля Максвелла, чего невозможно достичь в обычной трехмерной Вселенной. Эйнштейна письмо не впечатлило (ещё бы, он только что придумал охуительно сложную теорию, хочется дать продохнуть мозгам, а тут ещё какой-то укуренный немец лезет со своим атсралом), и он ответил лишь «О’кей, cool story bro».
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 + время) и была практически забыта за ненадобностью — впереди было бурное развитие квантовой механики, Вторая Мировая Война, атомные бомбы, полёты в космос, и эти ваши непонятные атсралы никому не сдались.
Вспомнили о Калуце в восьмидесятых годах, когда было выдвинуто предположение — вся бяка в расчётах в том, что струны в нашей теории могут колебаться всего лишь в трёх направлениях, которыми располагает наша Вселенная. Вот если бы струны могли бы колебаться в четырёх измерениях… О, да тут же был какой-то Калуца, кстати, где он?
Расчёты показали, что и в этом случае следует неиллюзорный фейл, но зато число противоречий в уравнениях вроде уменьшилось. Взбодренные физики продолжали увеличивать число измерений, пока не ввели 9 (!!!) измерений в пространстве, при которых, наконец-то, теория струн слилась в экстазе любви с квантовой механикой и ОТО. И тогда физики громогласно провозгласили, что на самом деле мы живём в десятимерной Вселенной, в том числе одно измерение во времени, три знакомых нам измерения развернуты до космических размеров, а остальные шесть свернуты в микроскопических масштабах и потому незаметны. Такие дела. Причём ни подтвердить, ни опровергнуть это на эксперименте практически никак нельзя, ибо речь идёт о таких малых масштабах струн и свернутых измерений, что современная аппаратура ничего не найдёт. Физики были счастливы, общественность охуевала и окончательно утвердилась в мысли, что физика — бесполезная наука
.
РОЖДЕНИЕ M-ТЕОРИИ.
Основным успехом явилось то, что физикам удалось (по крайней мере, на бумаге) 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» (названа по имени развеселого и улыбчивого китайского физика по фамилии Яу, описавшего ее).
Но, хотя общий вид этих объектов и вычислили, но точный вид, как оказалось, нельзя установить без эксперимента, а без нахождения точного вида пространства Калаби-Яу нашей Вселенной, вся теория струн скатывалась практически в гадание на кофейной гуще.
Но постепенно физикам удалось вычленить из общей массы гипотез пять более-менее правдоподобных теорий, которые могли бы описать нашу Вселенную. Причём, все они равно претендовали на звание единственно верной и при этом выглядели несовместимыми между собой. Авторитет теории струн падал, дальнейшие направления для исследований не виделись.
Но в середине девяностых годов прошлого века произошла так называемая вторая революция в теории струн. Один из физиков родил гипотезу, что десять измерений — это хорошо, но всё выглядит так, как будто чего-то не хватаэ. «Пусть будет одиннадцать измерений!» — вдохновенно изрек светлый ум, и физики просветлились.
Оказалось, что введение ещё одного измерения со скрипом, но укладывается в ложе квантовой теории и ОТО, и более того — снимает очень многие накопившиеся проблемы в теории струн. В том числе успешно скрещивает все пять недотеорий в одну-единственную убертеорию. Вот её-то и назвали без фантазии M-теорией, и именно она на сегодня является высшим достижением матанщиков в деле познания Вселенной.
По M-теории получается, что основа Вселенной — не только одномерные струны. К ужасу всего научного сообщества, оказалось, что могут существовать и двухмерные аналоги струн — мембраны, и трехмерные, и четырехмерные… Эти конструкции были названы бранами (струна — 1-брана, мембрана — 2-брана, и так далее). На то, что эти самые браны нигде не были экспериментально зарегистрированы, физики дружно положили болт — не впервой, и вообще мы тут делом заняты, а вы мешаете своими претензиями. Браны у нас на данном этапе принципиально ненаблюдаемы.
ЧТО ИМЕЕМ В ИТОГЕ?
Теория струн сегодня является одним из самых динамично развивающихся направлений современной физики. Не проходит и пары месяцев, как объявляется о каком-либо очередном серьёзном успехе. Большинство физиков ведёт голубая мечта — что в один прекрасный день теория струн таки станет Единой теорией всего.
Но вот будет ли окончательный вин — ещё большой вопрос: вспоминаем, как физики ещё после Ньютона полагали, что все законы природы познаны, и больше ловить на этом поле нечего. Как бы то ни было, мозголомка по всему миру продолжается, пока ты сидишь в интернетах 
.
Источник:
Фрагменты статьи в "Луркоморье", автор не указан:
Ещё информация по этой теме: