Струнная теория — один из самых амбициозных и одновременно спорных проектов в современной теоретической физике. Пока одни ученые видят в ней долгожданную «теорию всего», способную объединить квантовую механику и гравитацию, другие считают ее катастрофическим тупиком, на который лучшие умы человечества потратили тридцать лет впустую. В новом выпуске научно-популярного проекта PBS Space Time ведущий разбирается, почему, несмотря на отсутствие экспериментальных подтверждений, физики-теоретики продолжают верить в математическое изящество колеблющихся струн.
🎸 Что такое теория струн и почему она очаровала ученых 0:02
Для некоторых исследователей теория струн остается главной надеждой на создание единой теории, которая свяжет воедино квантовую механику и гравитацию, объединив всю физику в одну великую и славную доктрину. С другой стороны, критики рассматривают её как катастрофический тупик, поглотивший целое поколение гениев, не дав взамен никаких осязаемых результатов. Тем не менее, на протяжении более чем тридцати лет выдающиеся физики-теоретики остаются верны этой концепции и пытаются разгадать тайну крошечных вибрирующих элементов.
В основе теории лежит идея о том, что фундаментальными составляющими Вселенной являются не точечные частицы, а ультрамикроскопические нити и петли, в которых возникают стоячие волны. По аналогии с гитарными струнами, где разные режимы вибрации рождают разные музыкальные ноты, в теории струн изменение характера колебаний создает различные типы элементарных частиц. По словам автора видео, эти струны существуют не только в привычном нам трехмерном пространстве, но и в шести дополнительных компактных пространственных измерениях, скрытых от наших глаз.
Как объясняет ведущий, главная привлекательность этой концепции изначально заключалась в её математической красоте:
- Математическое изящество: уравнения невероятно красиво складываются в единое описание всех фундаментальных сил и частиц.
- Естественное включение гравитации: в отличие от традиционных моделей, гравитация здесь не добавляется искусственно, а органически вытекает из самой структуры уравнений.
Основной же претензией критиков остается то, что теория струн до сих пор не сделала ни одного проверяемого предсказания. Пространство возможных версий этой теории настолько огромно, что из него невозможно рассчитать что-либо с абсолютной определенностью, из-за чего её невозможно ни верифицировать, ни опровергнуть экспериментально.
🌌 Магическое предсказание гравитации и спасение от черных дыр 2:16
Несмотря на упреки в эмпирической непроверяемости, струнные теоретики полушутя утверждают, что их теория всё же сделала одно великое предсказание — она предсказала существование гравитации. Как отмечает автор, когда физики начинают прорабатывать математический аппарат теории струн, гравитация появляется там сама собой, словно по волшебству. Ее крайне сложно убрать из расчетов. Более того, квантовая гравитация в теории струн лишена главного изъяна классических попыток объединения общей теории относительности Эйнштейна с квантовой механикой: она не порождает математических аномалий в виде микроскопических черных дыр при попытке описать гравитацию на самых малых масштабах.
Чтобы наглядно проиллюстрировать, почему струнная гравитация избегает проблемы бесконечных плотностей, ведущий предлагает сравнить точечные частицы Стандартной модели и квантовые струны:
- Классическая точечная частица при движении в пространстве и времени прочерчивает линию на диаграмме пространства-времени — так называемую «мировую линию». В квантовых теориях гравитационное взаимодействие передается гипотетической частицей — гравитоном, которая оказывает свое влияние в точке пересечения мировых линий. При сильных гравитационных взаимодействиях эта область пересечения сама становится точечной, плотность энергии в ней стремится к бесконечности, возникают бесконечные эффекты обратной связи, и математика выдает абсурдный результат в виде сингулярностей.
- В теории струн элементарные объекты представляют собой петли или разомкнутые нити, причем гравитон является именно замкнутой петлей. При движении они прочерчивают в пространстве-времени двухмерные поверхности, называемые «мировыми листами». Благодаря этому взаимодействие двух струн больше не локализовано в одной бесконечно малой точке — даже самые высокоэнергетические столкновения оказываются «размазаны» по всей поверхности струны, что позволяет полностью нейтрализовать опасность бесконечностей.
🧪 От Дирака до калибровочной симметрии: как красота математики ведет к истине 5:21
По мнению физиков-теоретиков, вибрирующие квантовые струны удивительно естественно воспроизводят общую теорию относительности и обещают воссоздать всю квантовую теорию. Сам процесс квантования — превращения классического крупномасштабного описания объекта в квантовое — требует перевода уравнений движения в волновые уравнения с добавлением квантовых неопределенностей. Этот процесс работает только в том случае, если исходные уравнения математически «дружелюбны».
История науки знает примеры, когда погоня за математической гармонией приводила к фундаментальным открытиям:
- Уравнение Шрёдингера стало первым и самым простым примером квантования уравнений движения для медленных точечных частиц.
- Поль Дирак, разрабатывая волновое уравнение для электрона с учетом специальной теории относительности, столкнулся со сложнейшим математическим хаосом. Чтобы избавиться от него, он добавил в волновую функцию слагаемые, которые поначалу казались бессмысленными, но привели к взаимному сокращению «мусора». Позже выяснилось, что эти члены описывают антиматерию. Стремление к изяществу формул позволило Дираку предсказать существование антивещества до его экспериментального обнаружения.
Квантование струн изначально тоже выглядит перегруженным, однако ситуацию спасает использование симметрий, радикально снижающих сложность математики. Особое значение имеет калибровочная симметрия, когда изменение переменной в разных точках пространства не меняет саму физику системы. Ярким примером служит локальная фазовая инвариантность: в исходном уравнении Шрёдингера она нарушала законы физики, пока ученые не добавили специальный корректирующий член, который в точности совпал с описанием электромагнитного полей. Таким образом, электромагнетизм был фактически открыт в его квантовой форме через изучение фундаментальных симметрий.
📏 Симметрия Вейля и загадка девяти измерений 9:04
Для успешного квантования теории струн физикам потребовался еще один редкий вид симметрии — инвариантность Вейля (масштабная инвариантность), согласно которой изменение масштаба самого пространства не должно влиять на физику струн. Герман Вейль предложил эту идею сразу после публикации Эйнштейном общей теории относительности, пытаясь объединить ее с электромагнетизмом. В обычном четырехмерном пространстве-времени инвариантность Вейля не работает, поскольку масштаб пространства имеет значение. Однако, как выяснилось, эта симметрия идеально выполняется в специфической геометрической ситуации — на двухмерном мировом листе квантовой струны.
Это уникальное свойство позволяет математически сгладить поверхность мирового листа и написать простое квантовое волновое уравнение, что делает струны единственными объектами, поддающимися квантованию подобным образом. Но за введение инвариантности Вейля приходится платить: аналогично тому, как фазовая инвариантность потребовала добавления электромагнитного поля, симметрия Вейля обязывает добавить новое поле, которое выглядит как проекция трехмерного гравитационного поля на двухмерный мировой лист.
Первая мода квантовых осцилляций такой струны соответствует гравитону. Если записать это гравитационное поле в пределе низких энергий, оно становится тождественным теории тяготения Эйнштейна. Тем не менее, получить правильный набор частиц (включая гравитон и фотон) удается только при строго определенном числе пространственных измерений — ровно девяти.
Подобное допущение делает теорию струн менее привлекательной для многих ученых, ведь наша Вселенная имеет лишь три пространственных измерения. Струнные теоретики предполагают, что лишние шесть измерений свернуты сами в себя, из-за чего их невозможно заметить, однако никаких экспериментальных доказательств этому нет. Тем не менее, математическая конвергенция различных струнных теорий в рамках единой М-теории и открытие AdS/CFT-соответствия заставляют ученых верить, что столь богатая структура не может быть оторвана от реальности.
❓ Ответы на вопросы: реальны ли виртуальные частицы? 14:08
В финальной части выпуска ведущий ответил на вопросы зрителей, оставленные к предыдущему эпизоду о виртуальных частицах.
Были подробно разобраны следующие темы:
- Поля и взаимодействия: пользователь под ником Yuration поинтересовался, являются ли виртуальными фотоны, переносящие магнитное поле или силу контактного взаимодействия между телами. Ведущий пояснил, что хотя их называют виртуальными частицами, физически они не существуют. Фундаментальные взаимодействия переносятся флуктуациями квантовых полей, а виртуальные частицы — это лишь удобный математический инструмент для аппроксимации этих возмущений.
- Эффект Казимира: зритель по имени Эдди Митч спросил, обязательны ли виртуальные частицы для объяснения притяжения двух близко расположенных проводящих пластин. Автор ответил, что приписывать этот эффект виртуальным частицам некорректно. Пластины создают горизонты в квантовом вакууме (два горизонта между пластинами и один снаружи). Двойной горизонт ограничивает спектр реальных частиц, которые могут там возникнуть, тогда как снаружи таких ограничений меньше, что и создает избыточное внешнее давление, толкающее пластины друг к другу.
- Квантовое дерево: Дэвид Рэтлифф задал философский вопрос о том, имеет ли энергию квантовое дерево, падающее в вакууме, если рядом нет никого, кто мог бы это измерить. Ведущий отметил, что в физике это серьезный вопрос о «контрфактическом детерминизме» — можем ли мы утверждать что-то о состоянии Вселенной без проведения эксперимента. В качестве шутливой иллюстрации он предложил мысленный эксперимент: коробку со смертельным ядом, подключенную к радиоактивному изотопу, который может распасться или не распасться. Если поместить в эту коробку мима, то, как иронизирует ведущий, квантовая механика не способна ответить, волнует ли это хоть кого-нибудь.
