На струнах мироздания

Пятое измерение

Новую эпоху в истории науки открыл Исаак Ньютон, сформулировавший свои три знаменитых закона механики в 1684 году. Но при этом он совершенно не задумывался о том, как действуют описываемые им силы, и какова их природа.

Законы Ньютона имели ограниченное применение. Они никак не могли быть использованы при описании таких явлений, как электричество, магнетизм и оптические эффекты. В конце XIX века все эти три явления удалось объединить с помощью уравнений Джеймса Максвелла в стройную науку электродинамику, и ученые всерьез надеялись, что они близки к созданию «теории всего». Вскоре этим вопросом занялся Альберт Эйнштейн, сформулировавший специальную (1905 год) и общую (1916 год) теории относительности, которые требовали пересмотра ньютоновской физики. Поскольку открытие Эйнштейна подтверждалось простыми наглядными наблюдениями, научное сообщество без каких-либо возражений приняло его. Эйнштейн полагал, что для формулировки «теории всего» будет достаточно установить связь между электромагнетизмом и гравитацией. Но он поспешил с выводами.

В 1921 году немецкий физик Теодор Калуцей сумел формально объединить уравнения общей теории относительности с классическими уравнениями Максвелла, однако для этого ему пришлось ввести дополнительное пятое измерение помимо четырех известных (три измерения пространства и одно времени). Такая идея сначала показалась сумасбродной, однако через пять лет обоснование «ненаблюдаемости» пятого измерения было предложено шведом Оскаром Клейном.

Вроде бы все начинало сходиться, и тут новые открытия в области физики элементарных частиц и появление квантовой механики поставили под сомнение столь прямолинейный подход.

Многомерный мир

Современная физика требует от гипотетической «теории всего» объединения четырех фундаментальных взаимодействий, известных в настоящее время: гравитационное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие. Кроме того, она должна объяснять существование всех элементарных частиц и их отличий друг от друга.

Попытки объединить многочисленные интерпретации наблюдаемых взаимодействий продолжались весь ХХ век. В середине 1970-х годов даже получилось объединить три взаимодействия, кроме важнейшего и данного нам в ощущениях — гравитации. Но даже такая «усеченная» теория не получила экспериментального подтверждения.

Очередные попытки понять, как все-таки устроена Вселенная на базовом уровне, привели к тому, что физикам пришлось вспомнить подзабытую теорию Калуцея-Клейна и ввести в свои формулы дополнительные измерения. Оказалось, все сходится, если принять гипотезу, что Вселенная имеет не четыре и не пять, а десять измерений. Позднее возникла М-теория, оперирующая одиннадцатью измерениями, а за ней F-теория, в которой фигурируют двенадцать измерений. Можно подумать, что введение дополнительных измерений, которых мы даже не можем себе представить, усложняет вопрос, но на уровне чистой математики оказывается, что, наоборот, упрощает. А проблема восприятия связана лишь с привычкой: были времена, когда люди ничего не знали о вакууме и невесомости, а теперь об этом имеет представление любой школьник, мечтающий стать космонавтом.

Можно ли каким-то образом выявить фундаментальную взаимосвязь в многомерном пространстве на практике? Оказывается, можно. Именно этим и занимаются сторонники так называемой теории струн.

Квантовые нити

«Струны» как фундаментальные образования были введены в физику элементарных частиц для объяснения строения пи-мезонов — частиц, сильное взаимодействие которых, делает атомные ядра единым целым. Существование таких частиц было предсказано, а сами они были открыты в 1947 году при изучении космических лучей. Эффекты, наблюдаемые при столкновениях пи-мезонов, позволили выдвинуть идею, что их связывает«бесконечно тонкая колеблющаяся нить». Идея понравилась, и сразу появились математические модели, в которых все элементарные частицы описаны в виде одномерных струн, вибрирующих на определенных частотах.

Теория струн начала развиваться, причем очень быстро выяснилось, что «струнность» реализуется лишь в пространствах, количество измерений в которых априори больше четырех. Теорию пытались применить к разным гипотетическим построениям типа тахиона (частица, скорость которой превышает скорость света), гравитона (квант гравитационного поля) и бозона (частица массы), но без особого успеха.

Все же в 1980-х годах, после долгих дискуссий, физики пришли к выводу, что теория струн может описать все элементарные частицы и взаимодействия между ними. Сотни ученых начали работу над ней. Вскоре было показано, что различные варианты теории струн работоспособны, если представляют собой предельные случаи М-теории, оперирующей одиннадцатью измерениями. И хотя до завершения работы еще далеко, физики склоняются к мнению, что они идут по верному пути.