Теория струн
В конце 1960 года Габриель Венециано (Gabriele Veneziano), физик- теоретик из CERN, создал теорию струн. В очередной раз в физике, теперь в области элементарных частиц, назрел кризис. Квантовая механика не описывала всех имеющихся фактов и возникла насущная необходимость свежего взгляда на имеющиеся проблемы. Однако, теория вначале не имела успеха, так как не объясняла всех свойств атомного ядра. Но в конце 1980 года о теории струн стали говорить как о теории квантовой гравитации. Космологи, изучая Вселенную, выяснили неоспоримый факт - замедленное расширение вдруг сменилось ускорением. Почему? В чем причина? От бессилия ученые были вынуждены ввести понятие темной энергии. Это гипотетическое нечто с неясными свойствами толкает Вселенную. И тут очень кстати оказалась теория струн, в которой был предложен вариант ответа на вопрос - что за сила здесь проявляется?
Основная идея теории струн - элементарные частицы не точечные, это не привычные маленькие шарики, а бесконечно тонкие одномерные объекты, называемые струнами. Они чем- то похожи на обычные струны, по которым распространяются колебания. Колебания могут иметь разные характеристики (частоту, тембр), в зависимости от длины струны. Обширное семейство разнообразных элементарных частиц описывается множеством возможных форм колебаний струны. Струна характеризуется длиной, причем длина ее ограничивается неопределенностью Гейзенберга и составляет десять в минус тридцать четвертой степени метра и представляют собой природную константу (ls), которая стоит в одном ряду со скоростью света и постоянной Планка.
В квантовой теории частицы бывают фундаментальные, кирпичики мироздания, и переносчики взаимодействий, такой своеобразный клей, соединяющий фундаментальные частицы. В теории струн роль переносчика фундаментальных взаимодействий играет угловой момент струны. Даже у безмассовых квантов струны он может достигать 2h, что в точности соответствует свойствам таких переносчиков фундаментальных сил, как фотоны и гравитоны. Уравнения квантовых струн требуют дополнительных измерений. Они, струны, расчетно существует, если пространство- время сильно искривлено (что противоречит наблюдениям) или имеет шесть дополнительных измерений. Физические константы, например, входящие в закон всемирного тяготения и закон Кулона, перестают быть постоянными и их значения задаются полями, похожими на электромагнитные. Центральное место в теории струн занимает одно из таких полей - дилатон. Оно определяет общую силу всех взаимодействий. Величину дилатона можно истолковать как размер дополнительного пространственного измерения - одиннадцатого по счету.
Струны могут перемещаться целиком и завиваться, как пружина. Условия могут быть разными. Например, электроны могут быть струнами, чьи концы закреплены в семи пространственных измерениях, но свободно движутся в пределах трех. Эти первые семь образуют подпространство, известное, как мембрана Дирихле (D- мембрана). В 1996 году Петр Хорава (Petr Horava) из Калифорнийского университета и Эдвард Уиттен (Edward Written) из Института специальных исследований в Принстоне, штат Нью- Джерси, предположили, что наша Вселенная расположена как раз на такой мембране. Наша неспособность воспринимать всю десятимерную красоту пространства объясняется ограниченной подвижностью электронов и других частиц.
Первой попыткой применения теории струн к космологии стала разработка состояния Вселенной до Большого Взрыва. По этой теории он не был рождением мира, а просто переходной стадией. До него расширение ускорялось, после - замедлялось. Вселенная была всегда. В прошлом она была практически пуста. Силы взаимодействия были слабы. Затем они начали нарастать и материя начала сгущаться. В некоторой области плотность возросла так, что образовалась черная дыра. Она увеличивалась ускоренно. Материя внутри оказалась изолированна от вещества снаружи. Плотность вещества, падающего к центру дыры, возрастала, пока не достигла предела, задаваемого теорией струн. В этот момент квантовые эффекты привели к Большому Взрыву. Снаружи возникали другие черные дыры, которые тоже становились вселенными.
Теория струн решает некоторые теоретические проблемы, исходящие из Общей теории относительности, такие, как коллапс, состояние бесконечной плотности, сингулярность. Ведь струна не может быть короче кванта длины, а длина связана с массой, следовательно, вещество не может быть бесконечно плотным. Струны не могут сжаться в бесконечно малую точку, поэтому им несвойственен коллапс. Если просчитывать развитие Вселенной в обратном направлении, то кривизна пространства- времени будет расти. Однако она не станет бесконечной как в традиционной сингулярности, ее значение достигнет максимума и вновь будет уменьшаться, то есть сингулярность изящно устраняется.
В настоящее время теория струн расширена так называемой теорией суперструн или стрингов ( string theory), которая считается самым перспективным путем к единому объединению - единому описанию всех известных сил и материи. Предполагается, что все во Вселенной составлено из крошечных петель вибрирующих струн. Дополнительные измерения свернуты в маленькие пространства. Согласно предсказанию, они оказывают воздействие, сопоставимое с обычной гравитацией и могут быть обнаружены на расстоянии порядка 0,1 мм. Эксперименты в этом направлении идут, но пока нет оборудования, способного приблизить объекты на подобное расстояние.
Как считает профессор Университета Колорадо Джон Прайс ( John Price), работы, которые проводит их лаборатория, проверяют некоторые возможные сценарии, подсказанные струнами, а не саму теорию. Эффект, называемый темной материей, может быть объяснен существованием дополнительных измерений, их действие подобно антигравитации, расталкивает наш космос. Гравитация скрепляет галактики на локальном уровне, неизвестные силы расталкивают в больших масштабах.
Есть определенные предположения, что новый подход позволит решить все проблемы сразу, в комплексе, считают самые авторитетные космологи и физики. Исследования продолжаются, потому, что "кое- что новое и очень фундаментальное может быть обнаружено", - считает профессор Прайс. Теория струн получит экспериментальное подтверждение, если ученым удастся зарегистрировать хотя бы незначительное изменение физических констант.
Информация:
Иванов И."Бесконечно ли всемогущество теории суперструн?", статья
www.elementy.ru
www.scorcher.ru