Галина Железняк - Параллельные миры

Что касается теории суперструн, которая предсказывает существование восьми дополнительных измерений пространства, то она снимает несколько противоречий теории относительности, которые видел, но не смог разрешить сам Эйнштейн. Теория суперструн предсказывает существование новой частицы — гравитона (вроде светового фотона), которая помогает понять механизм действия гравитации.

До сих пор скорость, с которой действует сила тяжести, измерить никому не удавалось. Скорость электромагнитного взаимодействия мы можем измерить, а скорость гравитации — никак.

По теории Ньютона, если бы Солнце внезапно исчезло из центра Солнечной системы, то Земля мгновенно устремилась бы в дальний космос. По теории Эйнштейна, при равенстве скорости света и скорости гравитации Земля оставалась бы на орбите еще в течение 500 секунд — ровно столько времени требуется свету и гравитации, чтобы преодолеть расстояние от Солнца до Земли.

Во Вселенной с гравитонами число измерений больше, чем в привычном мире. Но эти восемь новых измерений свернуты в круг, и «нырнуть» в них очень сложно. По крайней мере, мы из своего трехмерного мира увидеть то, что происходит в 11-мерном мире, никак не можем. Как тень не может увидеть своего хозяина. Но гравитация и гравитоны действуют напрямую именно через эти дополнительные измерения пространства.

Что касается скорости гравитации, в теории суперструн гравитация через дополнительные и свернутые в круг измерения распространяется быстрее света, но принципы теории относительности при этом не нарушаются.

Что такое теория суперструн? И почему струны? Что это — экстравагантная идея или новый вид материи? Существуют ли другие подходы к построению полной картины фундаментальных законов физики?

В этой интересной теме работают многие современные физики-теоретики, математики, астрофизики, в том числе академик Валерий Рубаков и доктор физико-математических наук Дмитрий Гальцов.

Математическая структура теории начинает играть значительную роль по мере продвижения в область все более фундаментальных и все менее непосредственно наблюдаемых явлений. Появился даже термин — суперструнная революция.

Попытки построить теорию, которая обобщала бы все, что известно о мире, делаются регулярно, однако они обречены на незавершенность. Такая теория все равно будет не совсем общей — она лишь обобщит наши знания на сегодняшнем этапе.

За обобщение электрического и слабого взаимодействия была присуждена Нобелевская премия 1979 года (теория Вайнберга — Салама). Вероятно, должно обобщаться и треть, е взаимодействие — ядерное (сильное), заодно следует ожидать, что обобщается и четвертое.

Когда говорят о фундаментальной теории, подразумевают квантовую теорию, описываемую уравнениями квантовой механики. Но уравнения, описывающие гравитационное поле (четвертое взаимодействие), — классические, не квантовые. Они приближаются к истинным квантовым уравнениям и перестают работать на очень маленьких расстояниях и очень больших энергиях.

И если с квантованием электромагнетизма ученые справились достойно, то с квантованием гравитации они справиться пока не могут. Разрабатывавшиеся теории оказывались внутренне противоречивыми. Гравитация описывает пространство — время, а не его свойства.

Теория суперструн снимает противоречия. Вместо точечных объектов (частиц) теория струн оперирует протяженными объектами (струнами). Струну можно представлять себе как тонкую нить, способную изгибаться и колебаться. При этом надо помнить, что струна — фундаментальный объект, который ни из чего не состоит (в смысле меньших объектов). Струны могут быть замкнутыми и открытыми. Колебания струны (как колебания струн у гитары) могут происходить с разными частотами (гармониками), начиная с некоторой низшей (основной) частоты.

Фундаментально здесь то, что на достаточно большом расстоянии от струны ее колебания воспринимаются как частицы и колеблющаяся струна с некоторой комбинацией основных гармоник (как и у реальной струны) порождает множество, целый спектр разных частиц. Частицы появляются и выглядят (на большом расстоянии от струны) как кванты известных полей — гравитационного, электромагнитного. Отсюда представление о том, что частицы в квантовых теориях — не кусочки вещества, а определенные состояния более общей сущности — поля. Масса частиц-полей возрастает по мере увеличения частоты породивших их колебаний.

Среди частиц, не имеющих массы, есть кванты электромагнитного и гравитационного полей — фотон и гравитон. Тем самым струны описывают квантовую гравитацию и исправляют противоречия «старых версий» этой теории. Поэтому на больших расстояниях от струны (где еще действует общая теория относительности) наблюдатель увидит лишь поля. На маленьких расстояниях — приблизиться к струне по принципу неопределенности означает вступить с ней во взаимодействие, а при этом она уже выглядит не как точечный объект и требуется полный анализ струны как целого, а не нескольких гармоник.

Но зададимся вопросом: а является ли описание струны последовательно математическим? Для этого нужно строить теорию струн особым образом.

Итак, теория струн очень быстро приходит к внутреннему противоречию, если только размерность пространства — времени не равна 26. При распространении в пространстве — времени (пока 26-мерном) струна, как объект одномерный, рисует поверхность, называемую мировым листом (по аналогии с мировой линией). Струны могут быть замкнутыми или нет, и мировые листы у них разные.

Двухмерная поверхность мирового листа служит ареной, на которой может что-то происходить. Например, на ней могут жить двухмерные (не наблюдаемые непосредственно) поля. Для них мировой лист вроде своего дома. И свойства струны сильно зависят от конкретных частиц, населяющих это место. Пока струна живет в 26-мерном пространстве, на ней ничего нет, а если что-то появляется, то может оказаться, что струна научится жить в пространстве, меньшем, чем 26-мерное.

Степени свободы этих новых двухмерных полей в определенном смысле играют роль недостающих пространственных размерностей и тем самым в пространствах меньшей размерности восстанавливают 26-мерность. Это если рассматривать так называемую простую, или бозонную, струну.

Есть и еще условия непротиворечивости струнной теории. Низшие гармоники отвечают частицам, не имеющим массы, и оказалось, что у бозонной струны самая низкая гармоника должна восприниматься как частица мнимой массы, названная тахионом. Эти частицы имеют дурную славу, потому что им полагается двигаться со скоростью, превышающей скорость света.