Методические материалы, статьи

В начале была струна?

Поиск этой формулы сродни исканию «потерянного Рая». Ведь когда-то, пусть считанные мгновения, мир, в самом деле, был прост и един. Пятнадцать миллиардов лет назад — в момент Большого Взрыва — во Вселенной действовала единая «сверхсила». Она определяла развитие материи, времени и пространства. Через считанные доли секунды она «распалась» на четыре известные нам сейчас силы.

Десятилетиями физики ищут формулу, которая вновь свяжет воедино эти силы — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия, — то бишь соединит теорию относительности с квантовой механикой и станет общей для микро- и макромира.

Если бы мы воспроизвели условия, царившие в момент Большого Взрыва, подчеркивает американский физик Стивен Вайнберг, то эти силы снова бы образовали ту самую «сверхсилу». «Возможно, в ближайшие полвека мы сумеем создать теорию, объединяющую их», — полагает Вайнберг.

У скептиков, правда, свое особое мнение. На их взгляд, «всемирная формула» — «Theory of Everything», — если она будет открыта, может оказаться бесполезной, недоказуемой, непонятной. Возможно, человек никогда не извлечет из нее практического смысла. Возможно, что ее не поверить даже экспериментом. Ее красоту оценят лишь немногие знатоки.

Первый успех к знатокам пришел в 1968 году, когда сам Вайнберг, а также уроженец Пакистана Абдус Салам и Шелдон Глэшоу из Гарвардского университета создали объединенную теорию электромагнитных и слабых взаимодействий (одиннадцать лет спустя ученые удостоились Нобелевской премии).

Однако все попытки включить в эту формулу гравитацию были безуспешны. Она так и осталась «пятым колесом в научной телеге». Ее описывает общая теория относительности Эйнштейна, но эта теория оставляет двоякое впечатление: если в макромире — в мире космических мерок — она блестяще подтвердилась, то в мире элементарных частиц дает сбой. Она не согласуется с квантовой механикой — основным уставом микрокосма. К каким бы математическим трюкам ни прибегали ученые, чтобы «квантизировать» гравитацию, всякий раз вместо одного противоречия появлялось другое, столь же абсурдное: когда две точечные частицы бесконечно сближаются, сила их притяжения бесконечно растет и утрачивает всякий смысл.

Вообще-то сама природа развела теорию гравитации и квантовую механику по разным «вотчинам мироздания». Однако в момент Большого Взрыва Микрокосм на миг встретился с Макрокосмом. Стандартная модель физики не способна описать эту первородную стихию. Стандартная модель не объяснит, почему элементарные частицы обладают массой и почему Вселенная состоит из материи, а не антиматерии. Эта модель не говорит, почему в природе появились ровно четыре фундаментальных взаимодействия.

Стандартная модель мила, удобна, испытана, но для современной физики маловата будет.

Мир, вытянутый в М-струнку

Сейчас, по мнению многих ученых, среди теорий, притязающих на универсальность, наиболее перспективна «теория струны». Главная ее идея родилась еще в начале семидесятых годов, но не вызвала интереса ввиду некоторых очень странных допущений — их приходилось делать одно за другим. Это выглядело полнейшим произволом в теории.

Все началось с того, что британский физик Майкл Грин и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института пришли к выводу, что квантовая механика несоединима с гравитацией потому, что элементарные частицы a priori считаются бесконечно малыми точками. Все изменится, если предположить, что они имеют конечные размеры — например напоминают крохотную нить. Допустим, что Вселенная на недоступном нам микроуровне — основе ее основ — заполнена незримыми нитями, или — почему бы их так не назвать? — струнами (Strings).

По этой идее, которую трудно поверить рассудком, все элементарные частицы — электроны, протоны, кварки — представляют собой не что иное, как вибрации тех незримых струн. Каждый из «квантовых тонов» соответствует определенной частице, например, кварку или электрону. Сами «струны» представляют собой энергию в чистом виде.

Итак, все известные нам «кирпичики мироздания» возникают подобно звукам, рождаемым при колебании гитарной струны. Внезапно все наполнилось протяжными, вибрирующими звуками… Это — мелодии, долетающие из невидимого Ничто в микромир, чтобы потом эхом — сложной симфонической картиной — отозваться в макромире, порождая зримые образы объектов. Из звучания этих струн рождается опус, который носит название «Вселенная».

Правда, нечто подобное высказывали и до Шварца с Грином, но на эту идею не обратили внимания, ведь она не поддавалась математическому решению. Струны «отказывались» вибрировать в трехмерном пространстве. Тогда — фантазировать, так фантазировать! — Шварц и Грин (при одном звуке их фамилий вспоминаются сказочник Евгений Шварц и мечтатель Александр Грин) решили следовать лишь неумолимой логике, игнорируя любые практические соображения. Выяснилось, что в десятимерном пространстве эта теория вполне справедлива. Абсурд! — который, на первый взгляд, был хорош только одним: математически точно связывал все несоединимое прежде. Значит, если следовать данной логике, мы живем… в десятимерном пространстве?

Триада ортов Х, Y, Z — эта ортогональная проекция, угадываемая в любом углу наших комнат и кабинетов, — мешала следовать данной логике. Окружающее нас пространство было трехмерным; оно знало лишь длину, ширину, высоту, да еще «перпендикулярно» всей действительности, из прошлого в будущее, текло время.

Что ж, пришлось признать, что большая часть размерностей… бесконечно мала. Они никак не проявляются в окружающем нас мире и не играют, очевидно, в нем никакой роли. Они свернуты в крохотные клубочки величиной с саму струну и недоступны для измерения. Значит, в любой точке четырехмерного пространства-времени должен скрываться подобный клубочек свернутых размерностей, которые, пусть и остаются невидимы, но вполне могут определять свойства элементарных частиц, например, их массу и электрический заряд.

Лишь вспышка Большого Взрыва высветила эти размерности, скрытые во Вселенной. Из их множества по какой-то странной причине выкристаллизовались всего четыре нормальные размерности. Все они — видимые и невидимые — несомненно, очерчивают одно: пределы нашего знания. За ними пребывает Ничто, не воспринимаемое нами никак и не постижимое никем и никогда.

Удастся ли в ближайшие годы построить «единую теорию мироздания»? Стивен Хоукинг сдержан в прогнозах: «В 1980 году я сказал, что наши шансы создать единую теорию в ближайшие двадцать лет составляют пятьдесят на пятьдесят. Я по-прежнему так думаю. Вот только двадцать лет надо начать отсчитывать заново».

Нобелевский лауреат Ричард Фейнман (1918-1988) незадолго до смерти по-прежнему заявлял: «Новые идеи показались мне совершенно безумными; я считаю, что это ошибочный путь».

Подобная гипотеза противоречила всем прежним воззрениям. Кроме того, проверить ее экспериментальным путем было нельзя. Согласно расчетам, длина струны составляет всего десять в минус тридцать третьей степени сантиметра, что примерно соответствует так называемой постоянной Планка. Итак, струна в 100 000 000 000 000 000 000 (сто миллиардов миллиардов) раз меньше протона. Следующее сравнение поможет понять пропорции. Если бы удалось увеличить струну хотя бы до полусантиметра, то атом водорода достиг бы размеров Млечного Пути.

Согласно теории струны, сразу после Большого Взрыва десятимерное пространство свернулось в крохотный шар. Его диаметр был в 1020 меньше диаметра атомного ядра. Затем четыре размерности стремительно вытянулись, образовав мир, в котором мы живем. Остальные шесть остались крохотными и незримыми. Можно сравнить размерности мироздания с крохотными почками. Из четырех «почек» выросли привычные нам пространство и время; остальные так и не проклюнулись.

…Стоит передохнуть от абсурдных открытий и сделать теологический экскурс. В «Евангелии от Иоанна» сказано: «В начале было Слово». С фонетической точки зрения, слово состоит из гласных и согласных звуков, заставляющих по-разному вибрировать наш слуховой аппарат. Итак, эту знаменитую фразу — если обращаться с ней так же вольно, как Грин и Шварц с картиной мира, — можно истолковать в том смысле, что в начале всех начал была вибрация, породившая все мироздание. Отсюда легко перейти к новейшему научному убеждению: «В начале была Струна». Именно колебания струн породили весь зримый мир.

Теперь весь вопрос в том, имеет ли эта умозрительная философия хоть что-то общее с действительностью. Теоретиков успокаивал пример Эйнштейна. В свое время он тоже отказался от привычных представлений о пространстве и времени и был прав. Возможно, так произойдет и с теорией струны.

Однако у многих ученых эта идея по-прежнему вызывала скепсис. Для них казалось неприемлемым решать сложную физическую проблему с помощью легкомысленных трюков. Знаменитый физик Ричард Фейнман, преподававший вместе со Шварцем в Калифорнийском технологическом, на каждом шагу посмеивался над своим «незадачливым» коллегой. Едва завидев его, Фейнман говорил: «Ну что, в каком измерении ты сегодня живешь?»

Ключевую роль в судьбе этой идеи сыграл небольшой симпозиум физиков, проводимый каждое лето в одном из курортных местечек в Скалистых горах. Здесь в 1984 году Грин и Шварц показали коллегам, что, соединяя гравитационную теорию с квантовой механикой, можно избавиться от пресловутых «бесконечных величин», если только взять за основу «теорию струны».

Постепенно многие физики перешли на их сторону. И все из-за мороки с гравитацией! За их лабильность их ждала награда: в «теории струны» неизбежно появлялась новая элементарная частица, которая обладала свойствами гравитона — особой, не найденной пока частицы, якобы передающей действие гравитации.

В начале девяностых годов ученые, защитившие докторскую диссертацию по теории струны, с трудом могли устроиться на работу. «Их абстрактные знания были мало кому нужны» — вспоминает Джон Шварц. «Вы никогда не найдете себе работу, если выберете эту специальность», — такими словами напутствовал Эндрю Строминджера его научный руководитель. Сейчас подобные эксперты в США нарасхват.

Название М-теории до сих пор никто не может объяснить. Буква «М» может означать «мистерия», «магия», «матричная», «мембранная» (теория). Наконец, некоторые расшифровывают ее как «мать всех струн».

В последующие годы на основе «теории струны» возникли пять разных концепций. Все они притязали на то, что абсолютно точно описывают мироздание. Какая из них верна? «Если одна из них описывает наш мир, то кто живет в остальных?» — так образно обрисовал эту проблему Эдвард Уиттен, профессор Принстонского университета и в скором времени крупнейший специалист в области «теории струны».

Воистину судьбоносной для нее оказалась конференция физиков, проведенная в 1995 году в Лос-Анджелесе. Тот же Эдвард Уиттен предложил выход из тупиковой ситуации: так называемую М-теорию.

Согласно ей, пространство изначально имеет одиннадцать размерностей. Его частными случаями являются все «открытые на кончике пера» десятимерные вселенные. Внутри него скрываются многомерные мембраны — так называемые р-браны. Они обладают р-размерностью. Так, 0-брана — это некая точка в пространстве, 1-брана — это знакомая нам струна, а 2-брана — некая плоскость, называемая обычно мембраной… Подобным образом можно истолковать и браны более высоких размерностей. Так, стремительные колебания струн были заменены вибрациями мембран.

Образ вибрирующей струны или мембраны — как «основы основ» всех элементарных частиц — очень прост и понятен, но используемый математический аппарат слишком сложен. Пока физики не могут даже завершить детальное описание М-теории, ведь Уиттен лишь постулировал ее. Для ее описания понадобится большая часть известных математических методов, в том числе тех, которые долгое время считались совершенно бесполезными.

Между тем «теория струны» уже стала применяться на практике. В 1996 году физик Эндрю Строминджер из Калифорнийского университета и его коллега Кумрун Вафа из Гарварда первыми применили ее в практических целях, обратившись к описанию черных дыр, которое предложили в семидесятые годы Стивен Хоукинг и Джейкоб Бекенстейн из Иерусалимского университета. В частности, те сумели вычислить энтропию черной дыры — меру ее внутренней неупорядоченности. Строминджер и Кумрун Вафа подтвердили правоту их расчета для одного из классов черных дыр, использовав, как мы сказали, общую теорию струны — М-теорию.

Строминджер и Вафа даже «подправили» самого знаменитого физика наших дней. По мнению Хоукинга, любая информация, попадающая в черную дыру, безвозвратно гибнет. Однако из М-теории явствовало, что информация накапливается во внутренней структуре р-бран, то есть теоретически она сохраняется. Впрочем, этот вывод не доказывает ни правоту Строминджера, ни ошибочность взглядов Хоукинга: одна теория была поверена другой, но ни одна — практикой. Зато подобную проверку сколько раз проходила Стандартная модель физики!

В ожидании коллайдера

Итак, окончательно правота «теории струны» может выясниться лишь в лаборатории. До тех пор, пока опытным путем не удастся хоть косвенно подтвердить эту теорию, она останется блестящей игрой ума.

Да, мы не можем строить ускорители длиной во всю Галактику, чтобы исследовать «музыку невидимых струн». Да, нам никогда не заглянуть в таинственный «черный ящик», где хранится опись мельчайших элементов природы. Однако уже в ближайшие годы можно начать проверку предсказательной способности этой теории. Так, она предполагает существование суперсимметричных частиц. Если созданные ей фантомы преспокойно живут, значит, на теорию можно полагаться. Подлинная модель Вселенной потому и будет называться подлинной, что станет предсказывать еще неведомые феномены, как Периодическая таблица Менделеева прогнозировала свойства неоткрытых химических элементов.

В апреле 2006 года в ЦЕРНе, знаменитом швейцарском Центре исследования элементарных частиц, вступит в строй новый коллайдер. При столкновениях частиц на нем будет выделяться достаточно энергии — порядка тысяч миллиардов электронвольт, — чтобы получить суперсимметричные элементарные частицы. Возможно, в ближайшее десятилетие их удастся обнаружить. Тогда, наконец, ученые выберутся за пределы Стандартной модели мироздания.

Подобное открытие может прояснить структуру Вселенной. Согласно теории, самая легкая суперчастица должна быть стабильной. Значит, таинственная темная материя, возможно, состоит из таких частиц. Открытие суперсимметрии придаст новый импульс поискам всемирной формулы мироздания.

В любом случае можно поверить в прозорливость Эдварда Уиттена, сказавшего, что в ближайшие полвека теория струны будет так же определять развитие физики, как в последние полвека его определяла квантовая теория.

Адреса в «Интернете»:
www.theory.caltech.edu/people/jhs/strings
www.superstringtheory.com

Александр Грудинкин



См. также:
Курсы английского языка для школьников в центре «Милленниум»
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
купить зарядное устройство для аккумуляторов 18650
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005