Що таке теорія струн
Увага: Через позицію правовласника щодо вмісту дане відео українською було видалене з Ютуб каналу "Цікава наука". Ви зможете знайти його на Толоці.
Якою насправді є природа Всесвіту?
Для того, щоб відповісти на це запитання, люди вигадували різні історії, щоб описати світ.
Ми перевіряємо наші припущення і дізнаємося, що залишити, а що відкинути.
Але, чим більше ми довідуємося, тим більш складними й дивними стають наші історії.
І деякі з них настільки дивні, що дійсно важко зрозуміти про що вони насправді.
Як от теорія струн.
Знаменита, суперечлива, і часто неправильно інтерпретована теорія про природу усього.
Навіщо ми придумали її й чи правильна вона?
Або ж це лише припущення, яке ми повинні перевірити?
Аби зрозуміти справжню природу реальності, ми подивилися на речі зблизька і були здивовані.
Дивовижні пейзажі в частинках пилу, зоопарк чудернацьких істот, складні білкові роботи — всі вони складаються з молекулярних структур, які складаються з незліченної кількості менших частинок — атомів.
Ми думали, що атоми — це фінальний рівень реальності.
Доки не зіштовхнули їх разом дуже сильно і не відкрили частинки, які вже не можуть бути розщеплені — елементарні частинки.
Але тепер у нас проблема — вони настільки малі, що ми більше не можемо їх бачити.
Подумайте про це.
Що означає бачити?
Для того, щоб побачити що-небудь, нам потрібно світло — електромагнітна хвиля.
Ця хвиля досягає поверхні об’єкта і відбивається від неї, потрапляючи у ваші очі.
Хвиля переносить інформацію від об’єкта, яку ваш мозок використовує для створення зображення.
Таким чином ви не можете побачити що-небудь без взаємодії з цим.
Бачити — це ніби торкатися.
Зір — це активний процес, а не пасивний.
Для більшості речей це не проблема.
Але частинки дуже, дуже, дуже малі.
Настільки малі, що електромагнітні хвилі, які ми використовуємо, щоб бачити, занадто великі, щоб торкнутися цих речей.
Видиме світло просто проходить повз них.
Ми могли б вирішити цю проблему за допомогою електромагнітних хвиль з меншою довжиною і більшою частотою.
Але більша частота означає більше енергії.
Тобто, коли ми торкаємося частинки високоенергетичною хвилею, вона впливає на частинку.
Спостерігаючи частинку, ми змінюємо її.
Тож ми не можемо точно виміряти елементарні частинки.
Цей факт настільки важливий, що він має назву — принцип невизначеності Гейзенберга — фундамент усієї квантової фізики.
То який тоді вигляд має частинка?
Яка її природа?
Ми не знаємо.
Якщо ми подивимося дуже уважно, то зможемо побачити розмиту сферу взаємодії, але не самі частинки.
Ми просто знаємо, що вони існують.
Але якщо все так, то як ми можемо вивчати їх?
Ми зробили те, що зазвичай роблять люди, і придумали нову історію, математичний трюк.
Історію про точкову частинку.
Ми вирішили, що уявлятиме частинку точкою в просторі.
Будь-який електрон є точкою з певним електричним зарядом і певною масою.
Електрон не відрізняється один від одного.
Завдяки цій ідеалізації фізики змогли описати їх і розрахувати всі їхні взаємодії.
Це було названо квантовою теорією поля.
Вона вирішила безліч проблем.
Усе в стандартній моделі фізики частинок побудоване на ній.
Вона добре передбачає багато речей.
Деякі квантові властивості електрона, наприклад, були визначені з точністю до двохсот квадрільйонних відсотка.
Тож, у той час, як частинки насправді не є точками, розглядаючи їх такими, ми отримуємо досить хорошу картину всесвіту.
Ця ідея не лише просунула науку, але й привела до великої кількості існуючих технологій, що використовуються нами щодня.
Але є величезна проблема.
Це — гравітація.
У квантовій механіці всі фізичні взаємодії переносяться певними частинками.
Але, згідно із загальною теорією відносності Айнштайна, гравітація не є силою як інші у всесвіті.
Якщо всесвіт — це вистава, то частинки є акторами, а гравітація — це сцена.
Словом, гравітація — це теорія геометрії.
Геометрії самого простору-часу.
Є відстані, які ми повинні визначати з абсолютною точністю.
Але оскільки не має способу точно виміряти речі у квантовому світі, наше уявлення про гравітацію не вдається об’єднати з квантовою фізикою.
Коли фізики намагалися додати гравітацію, використовуючи нову вигадану частинку, їхня математика переставала працювати.
І це велика проблема.
Якби ми могли поєднати гравітацію з квантовою фізикою і стандартною моделлю, то змогли б отримати теорію усього.
Тому дуже розумні люди придумали нову історію.
Вони запитали, що є складнішим аніж точка?
Лінія!
Або струна.
Так народилася теорія струн.
Такою елегантною теорію струн робить те, що вона описує різні елементарні частинки як різні режими вібрації струни.
Так само як струна скрипки, вібруючи по-різному, може дати вам багато різних нот, струна у цій теорії може дати вам різні частинки.
Найважливіше те, що теорія враховує також і гравітацію.
Вона обіцяє об’єднати всі фундаментальні взаємодії у всесвіті.
Це викликало величезне захоплення і значний інтерес.
Теорія струн швидко доросла до можливої теорії усього.
На жаль, вона включає в себе безліч струн.
Значна частина математики, пов’язана з послідовною теорією струн, не працює в нашому всесвіті з його трьома просторовими й одним часовим вимірами.
Теорія струн для своєї роботи вимагає десяти вимірів.
Так, струнні теоретики проводили розрахунки в моделях всесвітів, і намагалися позбутися зайвих шести вимірів, щоб описати саме наш всесвіт.
Але до цього часу нікому це не вдалося.
І жодне передбачення теорії струн не було доведене експериментально.
Таким чином теорія струн не дає можливості розкрити природу нашого всесвіту.
Можна стверджувати, що в цьому випадку ця теорія дійсно не застосовна взагалі.
Наука полягає в експериментах і передбаченнях.
Якщо ми не можемо зробити це, то чому повинні мучитися з теорією струн?
Усе залежить від того, як ми застосовуємо її.
Фізика заснована на математиці.
Два плюс два дорівнює чотири.
Це правильно, не залежно від того, що ви думаєте про це.
А математика в теорії струн працює.
Ось чому ця теорія досі корисна.
Уявіть, що ви хочете побудувати круїзний лайнер, але маєте лише креслення маленького човна.
У них багато відмінностей — двигун, матеріали, розміри.
Але обидва човни принципово однакові.
Вони є речами, які плавають.
Тож, вивчаючи креслення звичайного човна, ви все ж могли б дізнатися, як побудувати круїзне судно.
З теорією струн ми можемо спробувати відповісти на деякі запитання про квантову гравітацію, які десятиліттями бентежать фізиків.
Наприклад, про те, як влаштовані чорні діри, або про інформаційний парадокс.
Теорія струн може вказати нам правильний напрямок.
У цьому сенсі теорія струн стає цінним інструментом для фізиків-теоретиків, і допомагає їм відкривати нові аспекти квантового світу і таку красиву математику.
Так що, можливо, історія теорії струн і не є теорією усього, але як і розповідь про точкову частинку, вона може бути дуже корисною.
Ми поки не знаємо, якою є справжня природа реальності, але ми продовжимо вгадувати історії, щоб спробувати з’ясувати це.
Доки одного дня, сподіваємося, ми не дізнаємося.
Це відео було підтримано Національним науковим фондом Швейцарії.
