Чтобы понять теорию струн, нужно сначала разобраться, почему физиков перестало устраивать привычное описание мира. В стандартной модели физики элементарных частиц все объекты — электроны, кварки, фотоны — представляются как точечные. Это удобно: точка имеет координаты, массу, заряд и другие свойства. С помощью такого подхода ученые научились предсказывать множество явлений с невероятной точностью.
Но у точечной модели есть фатальный недостаток. Она отлично описывает три из четырех фундаментальных взаимодействий — электромагнитное, сильное и слабое. А гравитация выпадает. Общая теория относительности Эйнштейна, которая объясняет тяготение как искривление пространства-времени, категорически отказывается дружить с квантовой механикой. Попытки объединить их приводят к бесконечностям и противоречиям.
Рождение струны
В конце 1960-х годов физики искали способ описать сильное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протонов. Кто-то предложил рассматривать их как колеблющиеся струны. Идея не взлетела — для сильного взаимодействия нашли лучшее объяснение, но математика осталась. И тут выяснилось удивительное: струны автоматически включают гравитацию.
В теории струн каждая элементарная частица — это не точка, а одномерный объект длиной порядка 10⁻³⁵ метра. Он может быть замкнутым (кольцо) или открытым. Струны вибрируют, и характер этой вибрации определяет все свойства частицы: масса, заряд, спин — это разные ноты одной струны. Электрон — это одна нота, кварк — другая, фотон — третья. А гравитон, гипотетическая частица-переносчик гравитации, возникает как одна из мод колебаний замкнутой струны.
Десять измерений и скрученные миры
Математика теории струн оказалась капризной. Уравнения требуют для своего непротиворечивого существования не привычных трех измерений пространства и одного времени, а целых десять. Шесть лишних измерений должны быть свернуты в крошечные многомерные фигуры, которые физики называют многообразиями Калаби-Яу. Представить это невозможно, но математически такие конструкции работают.
Размер этих дополнительных измерений настолько мал, что мы их никогда не заметим. Наш трехмерный мир — это как поверхность гигантского каната: на расстоянии кажется линией, но вблизи видна сложная структура переплетенных нитей.
Пять теорий и М-теория
Долгое время существовало аж пять разных версий теории струн. Они по-разному описывали одни и те же явления, что сильно смущало физиков. В 1990-х годах выяснилось, что все пять теорий — это частные случаи некой более общей М-теории, которая живет уже в 11 измерениях и включает не только струны, но и мембраны разной размерности.
М-теория стала настоящим праздником для математиков. Она породила множество красивых идей, например, голографический принцип — идею о том, что вся информация внутри объема может быть закодирована на его границе.
Где доказательства?
Главная проблема теории струн в том, что у нее нет экспериментальных подтверждений. Все красивые математические конструкции остаются гипотезами. Струны слишком малы даже для самых мощных ускорителей. Чтобы увидеть их, нужна энергия, недостижимая на Земле.
Теория предсказывает существование суперсимметрии — мира частиц-двойников, которые должны быть тяжелее обычных. Но БАК (Большой адронный коллайдер) не нашел никаких следов суперсимметрии. Это не убивает теорию, но загоняет ее во все более узкие рамки.
Критики называют теорию струн «нефальсифицируемой» — ее нельзя проверить, а значит, это не наука, а математическая философия. Сторонники возражают: мы просто еще не придумали, как к ней подобраться.
Зачем это нужно
Несмотря на отсутствие экспериментальных подтверждений, теория струн оказалась невероятно полезной. Она дала физикам математический аппарат для изучения черных дыр и помогла разрешить знаменитый информационный парадокс. Стивен Хокинг считал, что информация, упавшая в черную дыру, теряется навсегда. Струнные расчеты показали, что это не так — информация сохраняется.
Математика струн проникла в другие области физики, помогая решать задачи, никак не связанные с исходной теорией. Это похоже на то, как комплексные числа, придуманные для решения уравнений, нашли применение в электротехнике.
Будущее
Сегодня теория струн переживает не лучшие времена. Многие физики устали ждать экспериментов и переключились на другие подходы. Но полностью списывать ее со счетов рано. Возможно, новые космологические наблюдения или неожиданные результаты на коллайдерах дадут подсказку. А может, окажется, что струны — это всего лишь красивая сказка, не имеющая отношения к реальности.
Как бы то ни было, теория струн уже изменила наше мышление. Она показала, что реальность может быть устроена гораздо сложнее и изящнее, чем мы привыкли думать. И даже если струны окажутся ошибкой, математика, рожденная в попытке их понять, останется с нами навсегда.
