Что такое суперструны?

Суперструны, или теория суперструн, - это захватывающая область физики, которую иногда называют Теорией Всего . Многие считают неуловимым объединяющим объяснением, которое искал Эйнштейн, которое могло бы объяснить все известные силы во вселенной.

До появления суперструн у ученых было две противоположные теории поведения законов природы: общая теория относительности Эйнштейна и квантовая механика.

Общая теория относительности объясняет мир в нашем широком масштабе. Он описывает пространство-время как ткань, искривленную массовым учетом орбитальных систем, галактик и силы тяжести. Но эти законы нарушаются на квантовом уровне, где субатомная частица не может быть измерена с точки зрения ее точного положения в пространстве в данный момент времени. Он также может двигаться назад во времени, как и вперед, и может даже оказаться в двух местах одновременно. Мир бесконечно малых настолько странен, что ученые придумали термин «квантовая странность» для его описания.

Задача физиков заключалась в том, чтобы придумать теорию, которая объединила бы мир, который мы знаем, с квантовым миром. Одно из объяснений объясняет все четыре известные силы: гравитацию, сильные и слабые ядерные силы и электромагнетизм. Суперструны могут быть таким ответом.

С помощью математических уравнений стало очевидно, что способ, которым мы ранее думали о частицах как о «точках» или «маленьких шариках» энергии, был неточным. Эти крошечные кусочки материи на самом деле вели себя как извивающиеся вибрирующие струны . Струны настолько малы, что физик и сторонник Брайана Грина объясняет, что если бы один атом был размером с нашу солнечную систему, то струна была бы размером только с деревом. И все же струны составляют всю материю от квантового уровня.

То, как струны вибрируют, определяет специфические свойства каждой частицы, сравнивая вселенную с космической симфонией суперструн. Но чтобы избавиться от теории математических аномалий, потребовалось шесть дополнительных измерений. Шесть дополнительных измерений образуют крошечные, свернутые 6-D формы в каждой точке нашего пространства. Внутри этих 6-D форм есть струны теории суперструн. Шесть дополнительных измерений плюс наши три означали, что на самом деле было 9 измерений. Добавьте еще одно время , и в итоге получилось 10 измерений. Как это ни удивительно, это был не конец.

В 1995 году различные теории суперструн представляли собой головоломку, пока М-теория не объединила их. Единственный улов? М-теория математически требует 11-го измерения. Это дало новую картину струн, при которой, при достаточном количестве энергии, струна могла растягиваться, превращаясь в чрезвычайно большую плавающую мембрану, кратко называемую браной . Браны могут иметь разные размерные свойства и увеличиваться до размеров вселенной. На самом деле, согласно теории, вся наша вселенная существует на плавающей бране - только одна из нескольких плавающих бран, каждая из которых поддерживает свою собственную параллельную вселенную. Каждая брана представляет один кусочек пространства или объема большей размерности.

Хотя Стандартная Модель 1970-х годов уже объединила три из четырех сил в единую теорию, гравитация не могла быть согласована с тремя квантовыми силами. Но прорыв в суперструнах заключил в себе неуловимую силу гравитации, шептание Святого Грааля физики. Если безмассовая гипотетическая частица, ответственная за передачу гравитации - гравитон - существует на квантовом уровне в виде замкнутой струны , это будет представлять собой прямую гравитационную связь с теорией суперструн.

Теория предсказывает, что строки могут быть открытыми или закрытыми. У открытых струн или струн, которые напоминают маленькие шевелящиеся волосы, есть по крайней мере одна конечная точка, «прикрепленная» к мембране, подобно тому, как троллейбус прикреплен верхним кабелем к электрической линии. Струны могут перемещаться через брану, но не могут покидать ее, объясняя, почему мы не можем физически видеть или выходить из нашего измерения. Атомы, которые составляют наши тела, состоят из открытых струн, которые прикрепили конечные точки к нашей трехмерной мембране. Другой способ взглянуть на это - рассмотреть экран фильма. Люди на экране кажутся трехмерными, но на самом деле они не могут выйти за пределы экрана в наш трехмерный мир. Они застряли в своем двумерном мире, точно так же, как мы застряли в нашем трехмерном мире и не можем достичь соседних измерений. Ученые называют это степенями свободы .

Но гравитон другой. В качестве замкнутой струны или петли без прикрепленных конечных точек было высказано предположение, что она может вырваться из нашей трехмерной браны и просочиться в другие измерения. Это объясняет, почему гравитация во много раз слабее других сил.

Однако что, если обратное было правдой? Что если гравитация на параллельной бране так же сильна, как и другие силы, но здесь она слабее, потому что она только просачивается в наше измерение? Математически теория суперструн снова работала прекрасно и, наконец, выдвинула правдоподобное объяснение слабости гравитации, объединяя ее с тремя другими силами.

Оставалось только одно препятствие: объединяющая теория также должна быть в состоянии объяснить Большой Взрыв. Четверо физиков, путешествующих вместе в поезде, случайно взялись за эту тему. Один из них задал вопрос: что произойдет, если две браны столкнутся? Правдоподобным математическим ответом оказался Большой взрыв.

Недоброжелатели теории суперструн указывают на отсутствие доказательств и сложность их предоставления. Это просто красивая математическая конструкция? Философия? Или истинное объяснение нашего мира? Ни одна другая теория не приблизилась к математическому объединению всех четырех сил, и тем более дополнительно не дала объяснения Большому взрыву. Но доказательство того, что существуют другие измерения - плавающие браны и параллельные вселенные, - стало серьезным препятствием.

Тем не менее, сторонники изящной теории стремятся увидеть ее доказанной, и с тех пор ученые обнаружили, что могут быть наблюдаемые доказательства астрономически больших струн. Таким образом, теория суперструн продолжает набирать силу. В конце концов, в случае успеха, от 11 измерений до параллельных вселенных, от закрученных галактик до квантового супа, суперструны могут быть действительно Теорией Всего .