Теория струн возникла в попытке понять зарождающиеся эксперименты, раскрывающие сильное ядерное взаимодействие. В конце концов другая теория, основанная на частицах, называемых кварками, и носителях силы, называемых глюонами, вытеснит ее, но в глубоких математических основах молодой теории струн физики найдут любопытные структуры, полузаметные призраки, которые укажут на нечто большее. Что-то более глубокое.
Теория струн утверждает, что то, что мы называем частицами – точечными объектами, которые свободно перемещаются, взаимодействуют и связываются вместе, образуя основную часть материального существования – есть не что иное, как. Вместо этого существует лишь один добрый фундаментального объекта: строки. Эти струны, каждая из которых существует на минимально возможном пределе своего существования, вибрируют. И то, как вибрируют эти струны, определяет, как они проявят себя в большей Вселенной. Подобно нотам на гитаре, колеблющаяся с одной модой, покажется нам электроном, а другая, колеблющаяся с другой частотой, — фотоном и так далее.
Теория струн — это смелая попытка создать теорию всего. Единая математическая структура, которая объясняет частицы, которые делают нас теми, кто мы есть, а также силы, которые действуют как фундаментальные посланники между этими частицами. Все они, каждый кварк в космосе и каждый фотон в поле, — кусочки вибрирующих струн.
Теория струн остается наиболее многообещающим направлением на пути к квантовой теории гравитации. Она может претендовать на этот высший титул, потому что объединяет под своим знаменем все силы природы, потенциально воплощая в жизнь мечты об объединении последних полутысячелетия физического исследования космоса, и потому что теория естественным образом включает новую частицу (или, скорее, конкретную частицу). вибрация струны), который обладает всеми необходимыми свойствами, чтобы служить переносчиком квантовой силы гравитации, гравитационным аналогом фотона.
Теория струн не проверена, не проверена и еще даже не завершена. Действительно, несмотря на огромные перспективы и потенциал, математические решения, лежащие в основе теории, настолько сложны для решения, что никто до сих пор не пришел к решению, не говоря уже о предсказании, которое можно было бы предсказать на основе эксперимента. Кажется, природа намерена дразнить нас снова и снова. Первоначальные попытки объединить гравитацию в квантовую структуру терпят крах сами по себе под тяжестью неприводимых бесконечностей. И теперь самое многообещающее решение относительно этих бесконечностей — замена точечных частиц старой квантовой теории петлями струн — настолько неработоспособно, что бесконечности иногда кажутся предпочтительнее.
Несмотря на ее недостатки, теоретикам удалось продвинуться в углубляющихся лесах струн, и в своих поисках – которые иногда больше похожи на смелые желания, которые, как мы надеемся, когда-нибудь окажутся правдой – они наткнулись на нечто неожиданное.
Размерность играет решающую роль в теории струн. На крошечные вибрирующие струны возложена монументальная работа по объяснению все творения – все виды частиц, которые когда-либо существовали, которые когда-либо были открыты, и тем более, что нам еще предстоит найти. Но вскоре теоретики струн обнаружили, что трехмерного пространства недостаточно; Ограниченные нашим обычным и знакомым пространством-временем, струны не могут поддерживать достаточное количество различных видов вибраций, чтобы объяснить весь арсенал частиц.
И вот теоретики струн придумали элегантное решение. Если во Вселенной недостаточно измерений, чтобы дать струнам свободу, необходимую для объяснения всей физики, тогда нам придется добавить во Вселенную большую часть измерений. Современные версии теории струн утверждают, что у нас есть либо десять, либо одиннадцать пространственных измерений (разница связана с разными формулировками теории). Чтобы объяснить, почему эти дополнительные измерения до сих пор ускользали от нашего внимания в нашем опыте жизни в этой вселенной, измерения в дополнение к знакомым трем должны быть свернуты в те же самые ультра-крошечные масштабы, что и сами струны, заталкивая их в пространство. скрытые уголки восприятия и эксперимента. Даже наша способность исследовать состав самих атомов слишком неуклюжа, чтобы проникнуть в эту сферу, где доминируют струны.
Нам не нужно беспокоиться о структуре или свойствах этих скрытых измерений, потому что для нас важна теория струн, которая претендует на роль преемника в непрерывной цепи объединения, охватывающей пятьсот лет, и претендует на то, что однажды расцветет. в полную теорию квантовой гравитации, допускает возможность, по самой природе математической необходимости, что наша Вселенная имеет другое число измерений, чем то, которое мы можем наивно предположить.
