Єдина теорія полів і взаємодій (стр. 7 из 8)
Але єдиної теорії, що поєднує закони мікросвіту й макросвіту, не було. Завжди застосовувалася або одна теорія, або інша.
Однак згодом стали з'являтися завдання, що вимагають об'єднання цих підходів, наприклад, при дослідженні процесів у чорних дірах або в момент Великого Вибуху, коли величезні маси стислі до мікроскопічних розмірів.
Це екстремальні об'єкти - вони й дивовижно масивні, і малі.
Фізики прийняли цей виклик і почали шукати те, що можна назвати "загальна теорія всього".
Першим на цю непроторенну дорогу ступив Альберт Ейнштейн у далекі 1930- роки. Він віддав 30 років свого життя спробі розробити Єдину Теорію Поля, у рамках якої намагався об'єднати електрику й гравітацію й здатися, що ці два види взаємодій являють собою прояв того самого фундаментального принципу.
Ейнштейн випередив свій час. У той час, коли він жив, ще не була відомо сильна й слабка взаємодія, тому він так і не зміг вибудувати Єдину Теорію Поля.
Більш того, його пошуки в той час минулого мало зрозумілі більшості фізиків - майже все з них були стурбовані розробкою нової дисципліни - квантовою механікою.
Ейнштейн віддав на створення єдиної теорії поля не тільки половину свого життя, але й політичну кар'єру - його, як одного із самих активних поборників державотворення Ізраїль, запрошували стати першим президентом Ізраїлю. Він відмовився від цієї пропозиції тільки для того, щоб продовжити займатися фізикою. Дуже не багато з людей здатні в ім'я своєї улюбленої справи відмовитися від поста президента країни. Однак, незважаючи на те, що самотній похід Ейнштейна на єдину теорію не завершився успіхом, він дав потужний імпульс науковому пошуку в цьому напрямку.
Зараз, через піввіку, можна із упевненістю сказати, що мрія Ейнштейна про універсальну фізичну теорію збулася.
У середині 1980-их років центральна проблема сучасної фізики - конфлікт між загальною теорією відносності й квантовою механікою - був дозволений у новій фізичній теорії - теорії суперструн.
Більш того, теорія суперструн показала, що загальна теорія відносності й квантова механіка необхідні один одному для того, щоб теоретичні побудови набутили сенсу. Виявилося, що союз макросвіту й мікросвіту не тільки можливий, але й неминучий.
Теорія суперструн обґрунтувала, що всі дивні події Всесвіту - від шаленого танцю субатомних кварків, до величного крутіння подвійних зірок, від мікроскопічної вогненної кулі Великого вибуху, до гігантських по розмірах спіралей галактик - все це може бути відбиттям одного великого фізичного принципу, одного головного фізичного закону. І цей закон перевертає наші уявлення про світ, у якому ми живемо.
Почнемо з основної ідеї теорії суперструн. Зі шкільного курсу фізики ми знаємо, що всі матеріальні тіла складаються з атомів.
Більшість із нас пам'ятає модель будови атома, схожу на сонячну систему, модель, де навколо атомного ядра (що складає із протонів і нейтронів) по орбітах риємо кружляються електрони.
Протягом деякого часу багато фізиків уважали, що протони, нейтрони й електрони є кінцевими, неподільними елементами речовини. Однак експерименти, проведені в 1968 році, продемонстрували, що протони й нейтрони складаються із часток ще меншого розміру - кварків.
У підсумку сучасна фізика вважає, що вся речовина Всесвіту складається із кварків і електронів.
Теорія суперструн іде далі й припускає наступне.
Якби могли з високою точністю, набагато порядків перевищуючі наші сучасні технічні можливості, досліджувати частки, з яких складається Всесвіт (кварки й електрони), то ми б виявили, що кожна частка є не малюсіньким крапковим об'єктом, а вібруючою петлею.
Кожна елементарна частка, відповідно до теорії супер струн, складається з коливного й тонкого (нескінченно тонкого) волокна, що фізики й назвали струною.
Отже, допустимо, що мир складається не із крапкових об'єктів, а з танцюючих волокон - струн.
У цьому випадку струни мають різні періоди коливань: електрон являє собою один вид коливань, u-кварк - інший тип, нейтрино - третій тип і т.п. Тоді мир виявляється чимсь на подобі звучної симфонії - кожна частка звучить на своїй "ноті".
Така, начебто б, невелика заміна крапкових часток на вібруючі струни дозволила усунути основне протиріччя сучасної теоретичної фізики - протиріччя між квантовою механікою й загальною теорією відносності.
Теорія суперструн не вносить ніяких радикальних змін в існуючі закони фізики, і це великий плюс, тому що ці закони перевірені експериментально. Однак теорія суперструн вносить істотні доповнення в наше розуміння реальності. Так відомо, що в кожної взаємодії є своя частка за допомогою якого ця взаємодія переноситься. Електромагнітна взаємодія переноситься фотонами, сильна взаємодія - глюонами, слабке - бозонами. Однак чим переноситься гравітація? Чому наші ноги твердо стоять на землі? Чому планети не летять від Сонця? Може бути гравітаційна взаємодія теж переноситься частками? Фізики припустили, що така частка існує, і назвали її гравітоном. Яке ж був подив провідних теоретиків, коли в молодої теорії суперструн була теоретично отримана частка, що володіє нульовою масою й подвійним спином (саме такими характеристиками й повинен був володіти гравітон). Із цього моменту й почалося широке визнання теорії суперструн.
На сьогоднішній день у теорії суперструн є наступні теоретичні досягнення:
вона відкрила шлях до побудови теорії гравітації;
вона дозволила об'єднання в єдиній математичній структурі всіх чотирьох фундаментальних взаємодій (сильне, слабке, електромагнітне й гравітаційне) і показала, що це різні прояви того самого фізичного принципу;
вона дала можливість дозволити більшість парадоксів, що виникають при конструюванні квантових моделей чорних дір;
вона дала новий погляд на походження Всесвіту й теорію Великого Вибуху.
Однак, всі не так просто. Рівняння теорії суперструн дають правильні рішення тільки при одній умові - якщо наш простір є 11-мірним! На додаток до звичного для нас 4-х мірному простору-часу (3 - протяжні простори й 1 - тимчасове), одночасно повинні існувати ще 7 протяжних просторів. Але якщо наші звичні 4 виміри є розгорнутими, те інші 7 вимірів є згорнутими й тому ми їх не бачимо. Хоча вони й існують у кожній крапці нашого простору. Більш того, додаткові просторові виміри не можуть бути згорнуті довільним образом: рівняння теорії струн істотно обмежують геометричну форму, що вони можуть приймати. Умовам рівнянь задовольняє один конкретний клас багатомірних геометричних об'єктів - простір Калаби-Яу (або різноманіття Калаби-Яу). Звичайно, зобразити на малюнку цей багатомірний простір досить складно, але передати загальні риси можливо. На малюнку 2 зображений один з варіантів цього різноманіття.
Основний парадокс квантової гравітації - несумісність квантового підходу до опису польових величин і вимоги просторово-тимчасової метрики (гравітаційного поля), здається, починає знаходити своє рішення в одній з новітніх фізичних теорій - теорії суперструн.
У цій теорії елементарні частки представляються у вигляді одномірного об'єкта, схожого на струну. Протяжний об'єкт може коливатися подібно гітарній струні, звуки, які видає струна при порушенні (скажемо, щипку), визначаються її натягом і розмірами. Частота коливань визначає висоту звуку. Так само й у суперструнах. Існують моди коливань суперструн, частота кожної моди визначає частку і її енергію. Відомі частки інтерпретуються як різні моди коливань єдиної струни.
Теорія суперструн володіє також суперсиметрією - симетрією, що поєднує частки із цілим спином (приміром, фотони) і напівцілим спином (наприклад, електрони) у єдину схему. Загалом кажучи, з погляду фізиків, які займаються теорією суперструн, вона має масу достоїнств і практично позбавлена недоліків. З погляду інших фахівців, у цієї теорії є істотний недолік - її неможливо (принаймні поки) перевірити експериментально в лабораторії. Не можна в лабораторії - може бути можна перевірити, спостерігаючи Всесвіт? Один з додатків, що розвиваються активно зараз, теорії суперструн - це дослідження (теоретичне) їхніх можливих проявів у ранньому Всесвіті й у граничних чорних дірах - об'єктах з максимальним гравітаційним полем.
Розмір (поздовжній) в однієї суперструни малий, він порядку планковського розміру 10-33см. Тому з погляду сучасної експериментальної фізики суперструни представляють із себе крапкові об'єкти. Гравітація включається в теорію суперструн природно, як один зі ступенів волі. Оскільки для нашого викладу важливо, як саме виходить гравітаційна взаємодія з теорії суперструн, зупинимося на цьому спеціально.
Загальна теорія відносності, що у теорії суперструн є всього лише одним із взаємодій, що допускаються цією теорією, описує гравітаційне поле як скривлений чотирьохмірний просторово-часовий континуум. Наявність мас визначає кривизну простору, самі маси рухаються в такому просторі по лініях мінімальної довжини - геодезичним. Гравітаційні рівняння визначають не тільки структуру простору, але й рух матерії в ньому.
У теорії суперструн взаємодії діють у світі, розширеному до більшого числа вимірів, наприклад, до дев'яти просторових вимірів і одного тимчасового. Ясно, що шість просторових вимірів повинні бути «сховані» від спостерігача. У звичайних умовах ми не повинні зауважувати присутності додаткових вимірів. Вони є "згорнутими".
Уявимо собі бублик. У геометрії така фігура називається тором. У тора є два радіуси. Перший — «великий», це радіус окружності А. Другий радіус меншого розміру, це радіус окружності В. Нехай відношення цих радіусів велике, скажемо 1060; радіус окружності А становить 1030 див, а радіус окружності В становить 10-30 див. Тоді істоті, що володіє досить більшими розмірами, скажемо, порядку 1 м, і живучий на поверхні тора, буде здаватися, що тор одномірний. Це істота не зможе «протиснутися» у додатковий вимір.