Что такое теория струн — суть и основы М-теории 🔵

Данная физическая теория стала символом загадочности устройства Вселенной. Услышав упоминание о Теории струн, человек невольно начинает задумываться об окружающем его мире. Однако не будучи физиком сложно понять, что такое Теория струн и какую важную роль она может иметь в понимании мира в целом.

Содержание

Суть Теории струн

В шестидесятых годах прошлого века, физик-теоретик из Италии Габриеле Венециано предположил, что взаимодействия адронов (объединений кварков) можно объяснить влиянием неких мельчайших струн. Венециано пытался установить с помощью уравнения мощные ядерные взаимодействия, связующие нейтроны и протоны.

Если взять за пример любой физический предмет, вроде шариковой ручки, то, согласно школьной программе при увеличении с помощью электронного микроскопа удастся увидеть сначала молекулы, а затем атомы, составляющие вещество предмета. Но есть продолжение микромира (далее в порядке уменьшения):

Молекулы;
Атомы;
Ядро;
Нейтроны и протоны;
Кварки;
И наконец струны.

Таким образом возникла теория, согласно которой все окружающее нас на самом мельчайшем уровне состоит не из частиц, как принято было полагать, а из невообразимо тонких нитей — струн. Из-за их колебаний, наподобие струнам, меняется физическое состояние объектов.

Неуловимые струны

Размер предполагаемых струн можно представить следующим образом: если атом вещества увеличить до габаритов нашей галактики Млечный путь (а это, на секундочку, более 100000 световых лет), то струна будет, предположительно размером со среднее дерево.

Казалось бы все просто: нужно всего лишь дождаться технологий, которые позволят рассмотреть подобные сверхмалые объекты — и теория обретет рамки. Но не тут то было! Согласно Теории эти струны не способны существовать в привычном человеку трехмерном измерении.

Многомерность струн

Благодаря возникновению Теории струн, ученые предполагают наличие более десяти измерений во Вселенной.

Благодаря Эйнштейну у человечества есть Теория относительности. На ее основе становится понятно как взаимодействуют по-настоящему большие объекты, вроде звезд и черных дыр. Квантовая механика, идеи которой сочетают в себе Теория струн, частично объясняет взаимодействие объектов микромира, вроде субатомных частиц. При этом на сегодняшний день ученые затрудняются полностью объяснить каким образом происходит гравитационное взаимодействие между такими крошечными объектами.

Возможно, что благодаря Теории струн получится решить данную проблему и расставить по порядку влияние гравитации на основании постулатов квантовой механики. А подобные открытия очень важны для всего человечества. Ведь если получится проникнуть в тайны гравитации, понять что ей движет и откуда она вообще берется, то станут возможными межзвездные путешествия, появятся невиданные ранее технологии, и возможно даже перемещение во времени.

Ландшафт и компактификация Калаби-Яу

Куда прячутся лишние измерения, если мы их не видим? Математический аппарат суперструн предполагает процесс компактификации: дополнительные измерения «свернуты» в невероятно сложные геометрические формы — многообразия Калаби-Яу. Именно от конфигурации этих микроскопических «узлов» зависят фундаментальные константы нашей Вселенной, от массы электрона до силы взаимодействия кварков.

Любое изменение геометрии такого пространства мгновенно меняет свойства элементарных частиц. Это объясняет, почему физика в нашем мире выглядит именно так, а не иначе: мы живем в одном из бесчисленных вариантов «ландшафта» теории.

М-теория и суперсимметричные браны

В середине девяностых Эдвард Виттен спровоцировал вторую суперструнную революцию, объединив пять разрозненных гипотез в единую М-теорию. В этой парадигме фундаментальным объектом выступает не только одномерная струна, но и многомерные мембраны — браны. Что, если наша видимая Вселенная — это всего лишь трехмерная брана, дрейфующая в многомерном гиперпространстве (балках)?

Тип I: система открытых и замкнутых струн с симметрией SO(32).
Тип IIA/IIB: замкнутые нити, различающиеся хиральностью.
Гетеротические струны: гибридные модели, объединяющие бозонные и суперструнные секторы.

Голографический принцип и дуальность

Струнный подход предлагает элегантное решение парадокса исчезновения информации в черных дырах. Благодаря АдС/КТП-соответствию (дуальности Малдасены) физики рассматривают гравитационные процессы в объеме как проекцию квантовых взаимодействий на границе этого объема. Можно ли считать наш мир сложной голограммой?

Концепция дуальности позволяет описывать сильные взаимодействия через более простые гравитационные модели, сближая теорию с практическими экспериментами на адронных коллайдерах. Струны перестают быть абстракцией, превращаясь в вычислительный инструмент для расчета вязкости кварк-глюонной плазмы.