Теория суперструны

Теория суперструны

Одной из наиболее значительных фигур в мире теоретической физики сегодня является Эдвард Уиттен из Принстонского университета. Развитая им теория суперструны (она была создана в 1968 году Венециано и Соцоки) объединяет теорию гравитации Эйнштейна с квантовой физикой. Одним из ее интересных аспектов является утверждение, что струны могут самопоследовательно вибрировать в десяти и двадцати шести измерениях. Никакое другое число измерений в данную математическую модель не укладывается.

Важность теории суперструны состоит в том, что она одновременно объясняет природу пространства-времени и материи. С ее помощью Уиттен пытается даже определить момент сотворения мира.

Материя в форме частиц является попросту модами струны. Так как диаметр этой струны приблизительно в 1020 меньше диаметра протона, каждой моде ее вибрации соответствует отдельная частица.

Субатомные частицы, которые мы изучаем в физических лабораториях, в действительности частицами не являются. Наши электронные микроскопы недостаточно мощны для того, чтобы показать, что исследуемые нами частицы на самом деле являются тонкой вибрирующей струной. Модель вселенной, состоящей из бесконечного числа вибрирующих струи, можно сравнить с хорошо организованным оркестром, исполняющим симфонию.

Так как струна движется в пространстве-времени, она может разбиваться на меньшие струны или, объединяясь с другими струнами, образовывать струны большей длины. Факт, что эти квантовые движения конечны и измеримы, дает квантовую теорию гравитации, к которой не удается перейти ни в теории Эйнштейна, ни в теории Калуцы-Кляйна.

Эти струны не могут произвольно перемещаться в пространстве-времени подобно частицам; они подчиняются широкому набору условий самопоследовательности. Интересно, что поиск выражений для этих условий привел к уравнениям Эйнштейна. Возможность получить уравнения Эйнштейна из теории струны доказывает, что уравнения Эйнштейна не являются фундаментальными.

Теория струны соединила существующую в квантовой физике концепцию гравитационной силы как дискретных пакетов энергии с эйнштейновской теорией вибрирующего пространства-времени. Особенность теории струны состоит в том, что струны не могут двигаться в трех или четырех измерениях. Условия самопоследователыюсти требуют, чтобы струна двигалась либо в десяти, либо в двадцати шести измерениях.

В 1984 году Джон Шварц из Калифорнийского технологического университета и Майкл Грин из Колледжа Королевы Марии в Лондоне доказали, что теория струны отвечает всем условиям самопоследовательности.

Возникает вопрос: почему струна? Основная строительная единица жизни на нашей планете — ДНК. Молекула ДНК состоит из двойной спирали (струны) и содержит генетический код, определяющий жизнедеятельность организма. Струна попросту является одним из наиболее компактных способов организации больших объемов информации, дающих возможность легко ее копировать. Кроме ДНК, в нашем теле содержатся миллиарды протеиновых белковых струн в форме аминокислотных строительных «кирпичиков».

Гравитация совершенно не вписывалась в квантовую теорию поля, однако автоматически входит в теорию струны (P. Dawes and J. Brown, cds., Supersfrings: A Theory of Everything. Cambridge: Cambridge University Press, 1988, p. 95). Уиттен утверждает, что все по-настоящему великие идеи в физике, включая общую теорию относительности Эйнштейна, являются следствиями теории суперструны. To, что теория относительности появилась раньше теории суперструны, — всего лишь случайность.

Теория струны — относительно простое объяснение нашей вселенной. Струна может вибрировать двумя способами — по часовой стрелке и против часовой стрелки. Вибрируя по часовой стрелке, она занимает десятимерное пространство, против — двадцатишестимерное.

Таким образом, симметрия субатомного мира — это просто след симметрии гиперпространства. Двадцатишестимерное пространство струны, вибрирующей против часовой стрелки, вполне объясняет все симметрии, присутствующие как в квантовой теории, так и в теории Эйнштейна. В гиперпространстве законы физики упрощаются. Симметрии, которые мы наблюдаем в уникальных узорах снежинок, цветов, радуги, кристаллах и т. д., являются проявлениями физики гиперпространства.

Многие из вас спросят: почему десять измерений, а не семь, девять или одиннадцать, например. Все дело в том, что существуют так называемые модулярные функции, в которых число 10 встречается чрезвычайно часто.

Численные загадки, связанные с теорией струны, решил математик Шриниваса Рамануджан. Описывая вибрацию струны, Рамануджан постоянно получал числа 8 и 24 в самых неожиданных местах. Чтобы совместить уравнения струны с нашим миром, физики добавляют два измерения; таким образом, восемь превращается в десять, а двадцать четыре — в двадцать шесть пространственно-временных измерений.

Физический смысл этих чисел не вполне понятен, однако они необходимы в уравнениях струны для того, чтобы выполнялись условия самопоследовательности.

Принцип самопоследовательности является основополагающим. Когда он выражается в гиперпространстве, мы имеем упрощение законов природы. Сторонники теории суперструны утверждают, что именно самопоследовательность заставила Бога создать этот мир.

Концепция суперструны, которую наука сегодня не в состоянии подтвердить или опровергнуть экспериментально, является чрезвычайно интересным моментом для понимания нашего мира и теории путешествия во времени. Мы можем либо просто подождать, пока ученые освоят гиперпространство, либо встретиться с людьми из нашего отдаленного будущего, которые уже его освоили, — хрононавтами.