Теория суперструн

Авторы Теории струн[52] «добавили новый микроскопический уровень — колеблющуюся петлю — к уже известной иерархии, идущей от атомов к протонам, нейтронам, электронам и кваркам», как пишет Б.Грин. Они считают, что на теоретическом уровне, на уровне нескольких гипотез объяснили работу механизма Вселенной на фундаментальном уровне.

Под фундаментальной теорией, обычно подразумевают квантовую теорию, описываемую уравнениями квантовой механики. Однако уравнения описывающие гравитационное поле (четвертое взаимодействие) — классические, а не квантовые. Они служат приближением к физическим квантовым уравнениям и перестают работать, если расстояние между объектами очень мало или их энергии слишком велики.

Классические гравитационные уравнения (в Общей теории относительности) на маленьких расстояниях (около 2 х 10-35) перестают описывать реально протекающие процессы.

Однако с «квантованием гравитации» у учёных возникли проблемы, решить которые, доказав это практически, им не удаётся и по сей день[53], хотя такое взаимодействие как электромагнетизм[54] легко практически квантуется. Разрабатываемые теории содержат противоречия. Так, теория гравитации должна описывать не свойства пространства-времени (как у Эйнштейна), а непосредственно его физическую сущность на квантовом уровне, что учёным пока недоступно. Для устранения противоречий, учёные математики и физики сделали предположение о существовании струн, создав новую абстрактную теорию.

Вместо точечных объектов, частиц и их волновых характеристик, Теория суперструн оперирует протяжёнными объектами — струнами. Б.Грин пишет о струне следующее:

«Если бы мы могли исследовать эти частицы с более высокой точностью, на много порядков превышающей наши современные технические возможности, мы обнаружили бы, что каждая из частиц является не точечным образованием, а состоит из крошечной одномерной петли. Внутри каждой частицы — вибрирующее, колеблющееся, пляшущее волокно, подобное бесконечно тонкой резиновой ленте, которое физики, не наделенные литературным вкусом Гелл‑Манна, назвали струной.

Вещество состоит из атомов, которые в свою очередь состоят из кварков и электронов. Согласно теории струн все такие частицы в действительности представляют собой крошечные петли вибрирующих струн.

Если теория струн справедлива, микроскопическая структура нашей Вселенной представляет собой сложно переплетенный, многомерный лабиринт, в котором струны Вселенной бесконечно закручиваются и вибрируют, ритмично отбивая законы космоса. Свойства основных кирпичиков мироздания, — будучи совсем не случайными, — глубоко связаны со структурой пространства и времени».

Струна не представляет собой нечто «материальное» в обычном физическом понимании. Это скорее энергетическая субстанция, как считают физики[55]. Тем не менее, её можно представлять себе приближённо в виде некой натянутой нити, веревки, или, например, скрипичной струны, находящейся одновременно в несколько мерном (до семи-десяти и более измерений)[56] “пространстве-времени”.

При этом надо помнить, что физики считают струну фундаментальным объектом Вселенной, который «не из чего не состоит»[57] (её нельзя разделить на несколько меньших объектов). Считается, что струны могут быть замкнутыми или незамкнутыми (открытыми). Колебания струны (как и колебания струн у гитары) могут происходить с разными частотами (гармониками), начиная с некоторой низшей (основной) частоты, и иметь другие колебательные характеристики.

Фундаментальность этого теоретического «открытия» в том, что на достаточно большом расстоянии от струны её колебания воспринимаются как частицы, и колеблющаяся струна с некоторой комбинацией основных гармоник (как и у реальной струны) порождает множество, целый спектр разных частиц. На большом расстоянии от струны частицы выглядят как кванты известных науке полей — гравитационного[58] и электромагнитного. Отсюда возникает представление о том, что частицы в квантовых теориях — не «кусочки вещества», а определённые состояния более общей сущности — соответствующего поля. Масса частиц-полей возрастает по мере увеличения частоты породивших их колебаний[59]. Объединение уравнений Общей теории относительности и квантовой механики приводило учёных к «бессмысленным» теоретическим результатам: квантовая вероятность процесса равна бесконечности.

Как считают авторы Теории суперструн, объединение уравнений стало возможным лишь тогда, когда появилось понятие струны. Учёные объяснили квантовый механизм гравитационного взаимодействия через теоретическую модель эффекта относительности наблюдения за столкновением двух (и более) струн. Дело в том, что до теории струн взаимодействие точечных частиц и сила, связанная с их взаимодействием (столкновением) на квантовом уровне (как учёные считают — гравитационная сила, когда частица, передающая взаимодействие, является гравитоном, а не фотоном), приводило к теоретическим результатам, когда «упаковка всей энергии взаимодействия в одну точку» теоретически вела к катастрофическим результатам, вроде упоминавшихся ранее бесконечных ответов. В противоположность этому струны как бы «размазывают» место, в котором происходит взаимодействие, что подтвердилось вероятностным поведением квантового мира, зависящего от «наблюдателя» (мы его рассмотрим в следующих разделах).

Грубо говоря, если «равноправных наблюдателей» два или больше и они не находятся в одном «пространственно-временном» месте, то эффект от столкновения «гравитонов» зависит от «относительного положения» наблюдателей. Чем дальше их «точки положения», тем протяжённее «столкновение» и менее катастрофично, чем в теории, если бы это были не струны, а частицы. Это и позволяет избежать теоретически возможной неуправляемой катастрофы от столкновения «частицы» и «античастицы» (самый простой пример в физике — электрон и позитрон)[60], которая в теории выражается как бесконечные результаты расчётов, а картина квантового мира выглядит как хаос.

Кроме этого нового «принципа квантовой относительности» открытый учёными принцип симметрии и суперсимметрии позволил теоретически обосновать, что интенсивность трёх негравитационных взаимодействий одинакова в масштабе малых (планковских) расстояний. Это обеспечило объяснение того, что никакого хаоса на уровне микромира не существует. Как утверждают учёные, симметрия — это инвариантность относительно некоторых преобразований. В связи с этим предположили, что и гравитационное взаимодействие тоже имеет одинаковую с предыдущими интенсивность. То есть в многомерном пространстве[61], на достаточном расстоянии от струны возникает суперсимметричный вариант гравитации, названный супергравитацией[62].

Все «элементарные» частицы делятся на два класса — бозоны и фермионы. Первые, например фотон и гравитон, могут собираться вместе в большие скопления, в отличие от них каждый фермион должен подчиняться принципу Паули[63]. К фермионам относится в частности электрон. Различия физического поведения разных типов частиц требуют различного математического описания.

И бозоны, и фермионы могут сосуществовать в одной физической системе, и такая система может обладать особым видом симметрии — суперсимметрией. Она отображает бозоны в фермионы и обратно. Для этого, естественно, требуется равное количество обоих видов частиц, но этим условия суперсимметрии не ограничиваются. Суперсимметричные системы могут существовать только в так называемом суперпространстве. Оно отличается от обычного пространства-времени наличием так называемых фермионных координат и преобразования суперсимметрии в нём похожи на вращения и сдвиги в обычном пространстве. В суперпространстве частицы и поля представляются набором частиц и полей обычного пространства со строго фиксированным количественным соотношением бозонов и фермионов и их характеристик (спин и т. п.). Входящие в такой набор частицы-поля называют суперпартнёрами.

Суперпартнеры «сглаживают» друг друга. Это явление, наряду с особенностями геометрии суперпространств, значительно затрудняет объяснение процессов, происходящих в суперпространствах, с точки зрения квантовой теории. Струны, существующие в суперпространстве, называются суперструнами.

Учёные утверждают, что частицы в микромире — это кванты соответствующих полей[64], и последовательное описание их взаимодействий осуществляется исходя из этого утверждения. Поля могут иметь сотни различных компонент и, как правило, их тем больше, чем выше размерность пространства-времени. Компоненты — это как бы отдельные поля, но они все собраны в единую структуру и не обладают без неё абсолютной самостоятельностью. Например, электромагнитное поле в 4-мерном пространстве имеет четыре компоненты. Две из них ненаблюдаемы, а другие две соответствуют двум направлениям поляризации фотона. Если представить, что поле существует в пространстве, одно или несколько измерений которого свёрнуты в маленькие окружности (или просто свёрнуты), то есть в эффективном пространстве меньшей размерности, это поле должно будет преобразовать себя так, чтобы число компонент уменьшилось до количества, ожидаемого от него в новом пространстве меньшей размерности. Лишние компоненты поля при этом оказываются полностью независимыми, самостоятельными и выступают как новые поля. Некоторые наборы вроде бы никак не связанных полей в четырёхмерном пространстве могут оказаться «осколками единого поля» в пространстве более высокой размерности.