Простым языком о Теории струн⁠⁠

О Теории струн слышали наверное все. Она активно популяризируется, такой тренд в научном мире. Многие знают о противостоянии Теории струн и Петлевой квантовой гравитации по сериалу “Теория большого взрыва”. Прямо как Vue.js и React в мире IT. Почему Теория Струн так популярна, и как её понять обычному человеку?

Эта статья для обычных людей, кстати, я тоже обычный человек, поэтому отправился на просторы интернета, чтобы сформулировать максимально простое объяснение и поделиться им в этой статье.

Когда не ученый, но пытаешь рассказать о Теории Струн

Сначала давайте определимся, как построены теории в науке. Все они — математическая модель, описывающая мир с некоторой погрешностью. Существует множество теорий. Чтобы хоть что-то понять, нам нужно получить базовое представление и о некоторых других теориях. (Я пытался проще, правда).

1. Общая Теория Относительности (ОТО) — объясняет природу гравитации, хорошо работает на макро-расстояниях (больших расстояниях).

2. Квантовая Теория Поля — не работает на макро-расстояниях, только на микро.

Эти две теории, применяемые на одном расстоянии, конфликтуют друг с другом. Но интуиция подсказывает, что наша реальность не должна быть так устроена. Ведь должна быть теория, работающая одинаково хорошо на всех расстояниях. Конфликт Теории относительности и Теории поля как раз устраняется Теорией струн.

Различные вещества состоят из молекул, которые состоят из атомов, далее субатомы (кварки), а за ними одномерные вибрирующие образования струны. Особенность Теории Струн состоит в том, что в ней кирпичиками выступают не частицы, а ультрамикроскопические квантовые струны, которые совершают колебания. Струна с более высокой частотой колебания, проявляется, как частица с большей массой. Здесь важно понимать, что струна не представляет собой никакую материю, а по сути является энергией, и поэтому Теория струн как бы намекает, что всё, что существует, состоит из энергии.

Представим огонь. Когда вы на него смотрите, кажется, что он материален, вроде бы как объект, который можно потрогать, но на деле — просто энергия, которую нельзя потрогать. Только в отличие от огня, через струну или струны нельзя пропустить руку, так как колеблющаяся струна — это как бы возбужденное состояние пространства, которое становится осязаемым.

В настоящее время нам известно четыре измерения: длина, ширина, высота и время. По математическим подсчетам теории струн получается, что на самом деле измерений больше. Одна из причин, почему мы не можем наблюдать остальные измерения — локализация — состоит в том, что дополнительные измерения не столь малы, однако в силу ряда причин все частицы нашего мира локализованы на четырёхмерном листе в многомерной вселенной (мультивселенной) и не могут его покинуть. Этот четырёхмерный лист (брана) и есть наблюдаемая часть мультивселенной. Поскольку мы, как и вся наша техника, состоим из обычных частиц, то мы в принципе неспособны взглянуть вовне.

Вселенная может содержать множество бран, взаимодействующих только за счет сил тяготения или не взаимодействующих вообще. Такие конструкции называют мультивселенными.

Единственная возможность обнаружить присутствие дополнительных измерений — гравитация. Гравитация, будучи результатом искривления пространства-времени, не локализована на бране, и потому гравитоны и микроскопические чёрные дыры могут выходить вовне. В наблюдаемом мире такой процесс будет выглядеть как внезапное исчезновение энергии и импульса, уносимых этими объектами.

И тут, как часто бывает в физике, возникает стандартная проблема: Теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не даёт однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в эксперименте. Таким образом, Теория струн находится в «зачаточной стадии»: она обладает множеством привлекательных математических особенностей и может стать чрезвычайно важной в понимании устройства Вселенной, но требуется дальнейшая разработка для того, чтобы принять её или отвергнуть. Поскольку Теорию струн, скорее всего, нельзя будет проверить в обозримом будущем в силу технологических ограничений, некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли данная теория статуса научной, поскольку, по их мнению, она не соответствует критерию Поппера (нефальсифицируема).

В физике существует множество крутых теорий, но они не объясняют все, поэтому появилась теория струн, которая должна объяснить все. Ну, хотелось бы…

Источники: The Question, Science-pop, Wikipedia.