Теория струн: учёные ищут новые способы подтверждения идеи, способной объединить всю физику

Из лекции Стивена Хокинга 1980 года

В 1980 году Стивен Хокинг прочитал свою первую лекцию в качестве Лукасианского профессора в Кембриджском университете. Лекция называлась «Близок ли конец теоретической физики?».

Хокинг, который позже стал моим научным руководителем, предсказал, что теория всего — объединяющая противоречивые ветви общей теории относительности, описывающей Вселенную в больших масштабах, и квантовой механики, управляющей микрокосмом атомов и частиц — может быть обнаружена к концу XX века.

Сорок пять лет спустя

До сих пор не существует окончательной теории всего. Главным кандидатом является теория струн — концепция, описывающая все силы и частицы, включая гравитацию. Теория струн предполагает, что строительными блоками природы являются не точечные частицы, такие как кварки (которые составляют частицы в атомном ядре), а вибрирующие струны.

Если бы мы могли заглянуть глубоко внутрь электронов, мы бы увидели петли струн, вибрирующих подобно струнам на скрипке. Различные модели вибраций струн соответствуют различным частицам.

Теория струн объединяет все силы природы. Силы, которые кажутся очень разными, такие как гравитация и электричество, глубоко связаны друг с другом. Эти силы связаны так называемыми дуальностями: одни и те же основополагающие явления могут быть описаны по-разному.

Гравитация описывается с точки зрения геометрии, форм и положений. Другие силы описываются с помощью различных математических понятий, включая алгебру и числа.

Объединение сил подразумевает глубокие связи между ветвями математики. Такие связи ранее были предложены математиками, в частности Робертом Лэнглендсом, а теория струн даёт физическое объяснение этих связей.

Хотя теория струн может быть правильной теорией всего, её трудно проверить экспериментально. Эффекты теории струн становятся видимыми на очень малых масштабах и при очень высоких энергиях.

Экспериментальная проверка теории струн

Ускорители частиц исследуют внутреннее строение частиц, сталкивая их и разбивая на части. Однако даже самые крупные коллайдеры в ЦЕРНе в Швейцарии не обладают достаточной энергией, чтобы разбить частицы на струны.

Как же проверить теорию струн экспериментально, если мы не можем достичь достаточно высоких энергий в коллайдерах? Ответ может лежать в изучении неба.

В самом начале Вселенная была плотной и горячей, и первичный суп состоял из струн. Мы можем увидеть историю Вселенной, запечатлённую в современных наблюдениях, от исследований галактик до измерений космического излучения, которое пронизывает всё пространство и является остатком Большого взрыва.

В начале XX века американский астроном Эдвин Хаббл показал, что Вселенная расширяется. Галактики удаляются друг от друга.

В конце того века детальные наблюдения за расширением показали, что оно ускоряется. Галактики сегодня удаляются друг от друга быстрее, чем миллион лет назад.

Что вызывает это ускорение? Гравитация — это сила притяжения, она замедляет расширение Вселенной. Ускорение Вселенной обусловлено новым видом энергии, который распространён по всему пространству. Учёные называют эту энергию тёмной и считают, что она составляет около 70% энергии Вселенной.

Мы не знаем точно, что такое тёмная энергия. Наиболее правдоподобное объяснение состоит в том, что это внутренняя квантовая энергия Вселенной. В квантовом мире частицы никогда не могут просто сидеть на месте, без энергии. Всегда присутствует небольшое квантовое дрожание и связанная с ним энергия.

Эксперименты определяют свойства тёмной энергии. DESI — это обсерватория, расположенная в Аризоне, США, которая составляет карту галактик и квазаров. Космические телескопы Euclid и Roman будут измерять Вселенную с беспрецедентной точностью, составляя карту истории миллиардов галактик на протяжении миллиардов лет.

Недавние результаты DESI предполагают, что тёмная энергия меняется со временем, что согласуется с моделями теории струн — хотя это ещё предстоит полностью подтвердить дальнейшими измерениями.

Это не доказывает теорию струн, поскольку теория струн может порождать множество различных вселенных с разными моделями тёмной энергии. Однако результаты DESI предполагают, что интерпретация тёмной энергии как квантовой энергии струн может быть на правильном пути. Конечно, существуют и другие явления, помимо струн, которые могли бы объяснить изменение тёмной энергии.

Euclid и Roman сделают очень точные измерения и смогут исключить многие такие теории тёмной энергии и некоторые специфические версии теории струн, помогая сузить круг вопросов, на которых должны сосредоточиться теоретики.

Другой способ проверить теорию струн — через чёрные дыры. Как только что-то попадает внутрь чёрной дыры, оно не может выбраться наружу. Внутри чёрной дыры действуют очень сильные силы, и частицы разрываются на части. Мы до сих пор не понимаем, что именно происходит внутри чёрной дыры, но теория струн учит нас, как чёрная дыра сохраняет информацию о том, что в неё попало.

Будущие, более точные измерения гравитационных волн (рябь в ткани пространства-времени) будут искать тонкие сигналы квантового поведения внутри чёрных дыр, предсказанного теорией струн. Если чёрные дыры — это «шарики из струн» (fuzzballs), они должны производить другой сигнал при слиянии, более продолжительный и с эхо-сигналами. Более того, если существуют дополнительные измерения, как предполагает теория струн, чёрные дыры могут колебаться по-разному, что мы также могли бы обнаружить.

В дополнение к космологическим измерениям учёные могут проводить мысленные эксперименты, как это делал Эйнштейн со своими теориями относительности. Теория струн привела к новым открытиям не только в математике, но и в других областях науки. Например, теория струн оказалась полезной для понимания того, как квантовые системы могут быть использованы в вычислениях.

Я не думаю, что полное понимание теории всего находится на пороге, но за 45 лет, прошедших с лекции Хокинга в Лукасианской кафедре, мы, безусловно, узнали много нового. И сейчас для теории струн всё выглядит многообещающе.

will be looking for the subtle signals of the quantum behavior inside black holes predicted by string theory. If black holes are fuzzballs, they should produce a different signal when they merge, lasting longer and containing echoes. What’s more, if extra dimensions exist, as string theory proposes, black holes may oscillate in different ways which we could also detect.»,»In addition to cosmological measurements, scientists can run thought experiments, just as Einstein did with his theories of relativity. String theory has led to new insights not just in mathematics but also in other areas of science. For example, string theory has proven to be useful in understanding how quantum systems can be used in computing.»,»I don’t think a complete understanding of a theory of everything is just around the corner, but in the 45 years since Hawking’s Lucasian lecture we have certainly learned a lot. And right now, things are looking up for string theory.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tThe Conversation\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t «,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник