Теория струн
Для кого-то это прикольная штука, над которой работал Шелдон из сериала "Теория большого взрыва", для иных — инструмент объединения 4 фундаментальных взаимодействий. Предлагаем без лишних слов взглянуть на теорию струн под призмой простоты и упрощений :)
Зачем «вот это всё»?!
Со школьной скамьи нам рассказывают о разных видах взаимодействий. Фундаментальных всего четыре:
1. Гравитационное → Земля вращается вокруг Солнца
2. Электромагнитное → Плюс притягивается к минусу
3. Сильное ядерное → Ядра атомов, напичканные множеством положительных зарядов, не разваливаются на части
4. Слабое ядерное → А, нет! Всё-таки разваливаются, но только радиоактивные ядра
Полагаем, читатель, ты уже заметил сходство между уравнениями
F = G⋅m1⋅m2/r² и F = k⋅q1⋅q2/r². Это позволяет предположить, что данные взаимодействия имеют единую природу. Учёным уже приходилось сопоставлять подобное. Взгляните на уравнения Максвелла: ▽⋅D = ρ и ▽⋅B = 0. Не нужно быть математиком, чтобы заметить – они похожи. Развивая эту идею, говорят: и электрическое, и магнитное поле порождаются электрическими зарядами, неподвижными и движущимися соответственно.
Итак, главная задача развития теории струн – создание теории всего.
Теория всего — гипотетическая модель, описывающая все фундаментальные взаимодействия.
Основная идея теории струн
Казалось бы, мы и так знаем, как описать частицы квантового мира, в этом нам помогает квантовая теория поля (КТП). И с большими объектами проблем не возникает — общая теория относительности (ОТО) отлично справляется. Не будем забывать: мы стремимся к общей теории!
ОТО и КТП не применимы на одном масштабе. Пишите догадки о том, почему именно так, в коmmентарии. А мы продолжаем. Здесь возникает теория струн, обобщающая представления о квантовых и материальных объектах.
Её основные постулаты:
- Существуют физические объекты размером на десятки порядков меньше атома водорода — струны.
- Каждая такая струна имеет конкретную частоту колебаний, соответствующую элементарной частице.
- Струны могут разрываться и объединяться во время взаимодействий.
- Струны — одномерный случай бран: 0-брана — точка, 1-брана — струна, 2-брана — мембрана (лист) и т.д. На браны распространяются свойства струн.
Примечание автора: здесь и далее речь идёт именно о M-теории, наиболее перспективной из всех разновидностей теории струн.
Все эти свойства струн устраняют противоречия, описанные выше. Действительно, колебание струны — музыка Вселенной — рождает частицу, их разрыв/объединение обеспечивают гравитационные взаимодействия.
Проблемы
Напомним основные частицы стандартной модели:
Кто такие эти ваши кварки, лептоны и бозоны? Из данных элементарных частиц состоит всё вокруг нас. Кварки u и d образуют протоны и нейтроны. Бозоны участвуют во взаимодействиях. Электрон — лептон. Кстати, кварки и лептоны гипотетически могут состоять из преонов (не прионов, дорогой биохимик), но не будем о грустном.
Но давайте дадим точное определение каждому из них.
Фермион — частица/квазичастица со полуцелым спином. Фермионы делятся на кварки и лептоны.
Бозон — частица/квазичастица с целым спином.
Т.е. фермионы — дружелюбные частицы, стремящиеся к объединению (иначе бы атомные ядра развалились), бозоны — враждующие и стремящиеся к разделению. Поэтому первые составляют материю, а вторые — отвечают за перенос взаимодействия.
Итак, мы подходим к основной проблеме теории струн — только фермионы порождаются струнами. Разобраться с этой бедой может суперсимметрия.
Суперсимметрия — принцип, в соответствии с которым у каждого фермиона есть «брат-близнец» в мире бозонов.
Также реализуется данная теория лишь в 11 измерениях (x, y, z, …, t). Почему мы их не видим? Вероятно, остальные просто сворачиваются определённым образом и вырождаются. Подтверждений данному утверждению (например, нарушение закона сохранения энергии или параллельных Вселенных) не найдено.
На этом всё! Учите физику – мать вашу!
Editorial review by Goodwin.