ТЕОРІЯ СУПЕРСТРУН

5. ТЕОРІЯ СУПЕРСТРУН

На початку 20 століття старі наукові положення були відкинуті - Альберт Ейнштейн опублікував загальну теорію відносності, у якій запропонував нові трактування простору, часу й гравітації.

Роботи Ейнштейна дали новий напрямок науковому пошуку, і багато фізиків задалися питанням - а може бути гравітація й електромагнетизм зв'язані?

В 1919 році маловідомий польський математик Теодор Калуца дав дуже дивну відповідь на це питання.

Він увів у математичне рівняння Ейнштейна додатковий вимір і одержав дуже несподіваний результат.

Виявилося, що при додаванні ще одного виміру в рівнянні Ейнштейна з'являється новий додатковий член.

І цей додатковий член являє собою ні що інше, як рівняння Максвелла, отримане в 1860-х роках і електромагнітна взаємодія, що описує.

Таким чином, Калуца виявив, що гравітація й електрика глибока зв'язані між собою й випливають одне з іншого. Але при одній умові - у нашім тривимірному просторі існують ще один якийсь додатковий простір.

Калуца припустив, що цей простір згорнутий, тому ми його не бачимо.

Коли Калуца відіслав свою статтю з розрахунками Альбертові Ейнштейну, але думка про те, що в нашім тривимірному світі можуть існувати ще якісь додаткові простори, виявилася надмірної навіть для Ейнштейна.

Тільки через два роки після одержання статті, всі гарненько перерахувавши й обміркувавши, Ейнштейн погодився з Калуцей.

Але, незважаючи на те, що ідея була прекрасної, наступний аналіз гіпотези Калуци показав, що вона суперечить експериментальними даними.

Найпростіше спроби включити в цю теорію електрон приводили до пророкування такого відношення маси електрона до його заряду, що істотно відрізнялося від реально обмірюваних значень.

Таким чином у той час способів розв'язати цю проблему не було, то більшість фізиків втратили інтерес до гіпотези Вселеної, запропонованої Калуцей.

Дійсно, у той час і так вистачало нових завдань - ішло становлення квантової механіки, і більшість фізиків було поглинене вивченням основних законів мікросвіту.

Теорія направляла експеримент, а експеримент підправляв теорію - бурхливий розвиток фізики елементарних часток тривало біля на півстоліття й вилилося в ядерну бомбу, атомні електростанції й атомні підводні човни.

Але до початку 1970-их були в основному закінчені розробки стандартної моделі фізики елементарних часток, до початку 1980-их - багато пророкувань одержали експериментальне підтвердження.

Було доведене споріднення трьох із чотирьох відомих видів взаємодій (сильне, слабке, електромагнітне, гравітаційне).

Як показали розрахунки, сильна, слабка й електромагнітна взаємодії в деякий момент існування Вселеної були одним видом і тільки пізніше, у міру остигання речовини Всесвіту, по родинному розійшлися.

У фізиків з'явилося почуття, що все в основному вужу відкрито, відповіді на більшість важливих питань уже отримані й залишилося доробити тільки деякі деталі й дріб'язки.

Однак, як це звичайно й буває, спереду замаячіла несподівана проблема. Виявилося, що дві найважливіші фізичні теорії (теорія відносності й квантова механіка), що багаторазово довели своя заможність на практиці, ніяк між собою не зістиковуються. Спроби вивести загальні рівняння для цих теорій приводили до безглуздого результату.

Довгий час фізики намагалися не зауважувати протиріччя цих двох сучасних фундаментальних теорій.

Дійсно, фізики, що вивчали мікроскопічні об'єкти, атоми і ядерні процеси, використовували тільки рівняння квантової механіки.

Фізики, що працювали з гігантськими й масивними об'єктами Всесвіту, що вивчали рух планет і світил, процеси, що відбуваються в зірках і т.п. - використовували рівняння теорії відносності.

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.

Так само й у світі, що описується теорією суперструн, додаткові шість вимірів "маленькі" і "згорнуті". Три виміри більші, свідомо більше чим 10²⁸ див, а шість мають радіус кривизни не більше чим 10^-17 див, а скоріше 10^-33 див.

У такому світі взаємодій набагато більше, ніж у звичному нам чотирьохмірном світі. Багато хто з них можна ототожнити зі звичними нам частками й полями.

Теорія суперструн дуже далека від завершення. Може бути, після побудови цієї теорії фізики, нарешті, одержать теорію, що є універсальною. Ім'я для такої теорії вже придумали: «Теорія всього на світі»; англійська абревіатура цього вираження є TOE (Theory of Everything).

Основне питання до теорії суперструн - структура космологічної сингулярності (принаймні в рамках цієї, нехай ще й не доведеної теорії) - не вирішений. Чи існує стаціонарне утворення, яке можна асоціювати з вакуумним станом у цій теорії? Відповідь на це питання намагаються дати деякі дослідники. З періодом у кілька років відповідь міняється на протилежний. Відбувається так не тому, звичайно, що дослідники не занадто старанні, а тому, що проблема є винятково важкою для рішення.

Чому багато хто вважають, що сингулярності необхідно уникати? У сингулярності не застосовні будь-які фізичні закони й рівняння. На думку відомого російського космолога А. А. Старобинського, у деякому змісті, сингулярність - це відсутність передбачуваності й кінець фізичних методів в описі нашому Всесвіту. Якщо наш Всесвіт народився із сингулярності, є момент утвору, виходить, існував творець. Якщо Всесвіт може перебувати в стаціонарному стані (яке описується, наприклад, теорією суперструн) як завгодно довго, а початок процесу розширення - розпад зі стану (із щільністю, тиском і температурою порядку або навіть вище), аналогічний розпадові-альфа-розпаду ядра, то гіпотеза творця є зайвою. Однак, повторю, ця проблема залишається невирішеної.

По сучасних уявленнях простір-час у планковських масштабах представляє із себе фантастичну фігуру, що більше нагадує монстра з фільмів жахів, чим об'єкт фізичних досліджень. Чи є ця картина правильною, покажуть майбутні дослідження.

ВИСНОВОК

На закінчення курсової роботи хочеться підкреслити всю невідомість цього миру, необхідність пізнання й подальшого дослідження.

Побудова єдиної теорія полів і взаємодій є завданням фундаментальної фізики. Незалежно від успіхів каліброваних полів у фізику залишається ще величезна кількість невирішених проблем. Як показує досвід розвитку науки, природа часто виявляється складніше наших уявлень про неї.

ЛІТЕРАТУРА

1. Бояркин О.М. Фізика елементарних часток. – К., 2005 р.

2. Глечиків В.И., Стражев В.І. Від наукової гіпотези до наукового факту. – К., 2005.

3. Стражев В.И. До таємниць Всесвіту. – К., 2006

4. Грін Б., Елегантний Всесвіт. Суперструни, сховані розмірності й пошуки остаточної теорії. – К., 2003

5. Окунь Л.Б. Фізика елементарних часток. - К., 2004 р.

6. Паркер Б., Мрія Ейнштейна. У пошуках єдиної теорії будови Всесвіту. – К., 2006