Проблемы, приведшие к возникновению теории струн.

Три конфликта

Вот, по мнению автора книги, положения современной науки, которые конфликтуют друг с другом.

1. Согласно Ньютону свет можно догнать, а согласно Максвеллу это сделать не возможно.

2. СТО говорит, что никакое взаимодействие, в том числе и гравитационное не может распространяться быстрее света. А по Ньютону гравитация мгновенна.

3. Противоречие между ОТО и квантовой механикой. А именно:

”Гладкая искривлённость пространства в общей теории относительности находится в противоречии с вытекающим из квантовой механики неистовым, вихревым поведением Вселенной на микроскопическом уровне”.

Первое противоречие устранила СТО, второе противоречие устранила ОТО, а третье противоречие устранила теория струн. Попутно теория струн, ”построенная на основе специальной и общей теории относительности, требует нового серьёзного пересмотра наших концепций пространства и времени”.

И еще одно:

”Теория струн утверждает, что Вселенная имеет гораздо больше измерений, чем доступно нашему глазу, но дополнительные измерения туго скручены и спрятаны в складчатой структуре космического пространства”.

Дальше Грин предлагает:

”Чтобы понять реальную ценность теории струн, необходимо отступить на шаг назад и кратко описать то, что мы узнали о микроскопической структуре Вселенной в течение XX столетия”.

Я так и последую по книге, выделяя заголовки жирным шрифтом.

Вселенная в своём самом малом, или что мы знаем о материи.

Греки предположили, что вещество состоит из маленьких неделимых частиц – атомов. Но Резерфорд и другие показали, что атом состоит из протонов и электронов. А затем оказалось, что и протоны состоят из кварков. Да и сами кварки бывают нескольких типов. На время написания книги Грин говорит:

”Не существует экспериментальных данных, указывающих на то, что какая-либо из этих трёх частиц состоит из элементов меньшего размера”.

Под тремя частицами понимается комбинация электронов, u-кварков и d-кварков.

Но зато экспериментальные данные допускают существование четвертой частицы – нейтрино. Затем были открыты мюон, дальше еще 4 кварка и много еще других частиц, и античастиц. В общем, появились целые семейства. Рис. 1:

По поводу данных значений в таблице автор высказывает сомнение:

”Являются ли они игрой случая, связаны ли они с каким-то божественным выбором, или эти фундаментальные свойства нашей Вселенной имеют какое-то разумное научное объяснение?”

Видите, у автора нет сомнений в существовании этих частиц и их свойств. Главное понять откуда появилось все это добро, вся эта материя, из которой и состоит Вселенная в малом. Если ему сказать, что это кусочки одного и того же материала, то он, пожалуй, в это не поверит.

Взаимодействия, или куда делся фотон.

Современная наука, а вместе с ней и Грин, полагают, что в природе существуют четыре типа взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Каждому этому взаимодействию соответствует свой переносчик: гравитон, фотон, глюон и слабый калибровочный бозон. Причем масса гравитона, фотона и глюона считается равной нулю, а калибровочные бозоны имеют массы 86 и 97.

И в этом случае у Грина нет сомнений в существовании данных взаимодействий. Возникают только вопросы, почему только 4 взаимодействия, а не 3 или 6 или какое-нибудь другое количество взаимодействий, и почему эти константы имеют такие, а не другие величины. Не понятно автору, почему гравитационное и электромагнитное взаимодействия отличаются по силе в 10⁴² раз. Ясно, что если автор не знает, какие объекты участвуют в этих взаимодействиях, то он не будет знать их количественных параметров. И если ему сказать, что в ядре эти силы почти равнозначны, то он в это не поверит.

Грин насмерть стоит за стабильность частиц:

”Далее, если бы масса электрона была всего в несколько раз больше, электроны и протоны начали бы объединяться, образуя нейтроны и захватывая ядра водорода (простейшего элемента во Вселенной, с ядром, состоящим из одного протона), а это, в свою очередь, привело бы к нарушению баланса образования более сложных элементов”.

Как ни странно, но именно пион в ядре в 300 раз больше электрона и как раз он, обмениваясь между нуклонами, превращает протон в нейтрон, а потом наоборот. В результате этого они (нуклоны) гравитационно между собой стягиваются.

Именно стабильности параметров частиц и взаимодействий Грин приписывает наличие именно таких качеств Вселенной. И снова не верно, именно изменчивость всего этого и строит нашу Вселенную. Электрон, излучивший часть своей энергии в виде фотона, теряет свою массу и заряд. Просто в наших условиях это очень маленькая часть электрона, поэтому электрон нам и кажется стабильным.

А вот куда делся фотон, указанный выше, не известно. Наверное, никуда не делся.

Теория струн: основная идея.

Здесь Грин пытается предложить устройство основных частиц.

”Теория струн … утверждает, что если бы мы могли исследовать эти частицы с более высокой точностью, на много порядков превышающей наши современные технические возможности, мы обнаружили бы, что каждая из частиц является не точечным образованием, а состоит из крошечной одномерной петли. Внутри каждой частицы — вибрирующее, колеблющееся, пляшущее волокно, подобное бесконечно тонкой резиновой ленте, которое физики, не наделённые литературным вкусом Гелл-Манна, назвали струной.”

Вот где, по мнению Грина, появляются струны. Рисунок 2.

Это верное и внятное приглашение перехода из атомарного уровня познания на квантовый уровень познания. Правда пока автор не видит, как струну связать с квантом. На его картинке это выглядит так. Атомы, протоны и электроны – это близкие величины, отличающиеся примерно на 3 порядка, а вот струна отличается от электрона на 20 порядков. Как по размеру отличается электрон от человека. К сожалению, Грина интересует не это, а то, что такая простая замена точечных элементарных компонентов материи струнами приводит к устранению противоречий между квантовой механикой и общей теорией относительности.

Что в этих рассуждениях хорошо, а что плохо?

Хорошо то, что эта картинка показывает, что электрон не является элементарной неделимой фундаментальной частицей. В электроне есть составные части и этими частями являются струны. Они довольно пластичны и похожи на резиновую ленту. Но субстратом струны является не резина, а электрические и магнитные поля. Другого какого-то субстрата в природе наука пока не обнаруживает. Резина тоже состоит из этих полей. Эта струна есть не что иное, как обычный понятный фотон. Именно он конденсируется в природе в виде частиц, в данном случае, в виде электрона. Он свивается в электроне, как слой луковицы в головке лука. И действительно этот фотон (слой, струна или назовите его как угодно) обладает подвижной циклической структурой. В нем непрерывно вращаются вихри, которые и задают начало всем движениям.

Плохо то, что не ко времени появились кварки и глюоны, которые пришлось теории струн, волей не волей, врезать в мироздание. И затем строить эти кварки и глюоны из струн. Теперь возникает вопрос: а струны из которых строится электрон или кварк – одинаковы или различные? Если одинаковые, то зачем кварки и глюоны? Можно же строить протоны и нейтроны так же, как и электроны или позитроны. Если разные, то каков материал использует природа для строения этих кварков и глюонов? Согласно квантовой теории никаких кварков и глюонов природе не требуется. Все нуклоны, как и все остальные частицы – это сконденсированная энергия в виде фотонов. Просто фотоны в этих частицах могут быть разные и могут быть разные размеры частиц. Например, как капельки тумана и капельки росы.

Устраняет ли замена частиц струнами противоречия между квантовой механикой и теорией относительности, сказать трудно. Ну это как противоречия между кирпичом и яблоком. Какие между ними противоречия? То существует само по себе и другое существует само по себе. Если кирпичом не стучать по яблоку, то и проблемы нет.

Теория струн как единая теория всего.

Грин верно считает Эйнштейна гениальным человеком, ибо он понимал, что электромагнитное и гравитационное взаимодействия имеют одну и ту же природу. Он много времени посвятил поиску так называемой единой теории поля, которая, как он надеялся, сможет продемонстрировать, что два взаимодействия представляют собой на самом деле проявления одного фундаментального принципа.

К сожалению, такие как Бор, Шредингер и другие, считающиеся учеными, не только не могли, в силу своих умственных способностей, ему помочь в этом деле, но и умудрились затормозить развитие фундаментальной науки почти на сто лет. По этой причине оптимизм Брайана Грина несколько преждевременный, высказанный в фразе:

”Эйнштейн просто опередил своё время. Прошло более полувека, и его мечта об универсальной теории стала Святым Граалем современной физики. При этом значительная часть сообщества физиков и математиков всё больше верит в то, что теория струн может стать такой теорией”.

Я позвонил на кафедру теоретической физики в МФТИ, казалось бы, передовой институт, так оказалось, что струнами у них никто не занимается. И мало того, когда я после разговора о струнах с заведующим кафедрой попытался поговорить о теории относительности, то, похоже, он прямо отпрянул от трубки. Для него это вещи никак не сопоставимы. Так что студенты 2016 года вряд ли будут что-то знать о струнах.

Но вот это выражение является справедливым:

”Основываясь на одном принципе — что на самом микроскопическом уровне всё состоит из комбинаций вибрирующих волокон, — теория струн даёт единый способ объяснения свойств всех взаимодействий и всех видов материи”.

Все это абсолютно верно. Но удастся ли теории струн указать на физическую сущность вибрирующих волокон? Из чего эти волокна состоят? Почему они вибрируют? Откуда они берутся? Есть ли среди них какое-то разнообразие, или это один объект?

Если теория не сможет ответить на эти вопросы и некоторые другие, то это будет набор уравнений Шредингера. Атомы есть, протоны есть, электроны есть, а теория говорит не об устройстве этих объектов и их свойств, а о вероятности того или иного явления.

Пока что теория струн утверждает, что каждая из разрешённых мод колебаний струны в теории струн проявляется в виде частицы, масса и заряды которой определяются конкретным видом колебания. Электрон представляет собой один вид колебания струны, u-кварк — другой, и так далее.

Благодаря такой теории мы можем изучать одно фундаментальное свойство струны – колебания. Мало того и участники переноса взаимодействий, это то же частицы, состоят из струн со своими модами. То есть и частицы, и частицы переносчики (по существу взаимодействия) состоят из струн с различными собственными резонансными колебаниями.

”Таким образом, впервые в истории физики у нас есть единая теория, которая может объяснить все фундаментальные особенности, лежащие в основе строения Вселенной. По этой причине теорию струн иногда описывают как возможного кандидата на роль «теории всего сущего» (ТВС)”.

Конечно, эта теория вызывает много споров. Редукционисты на нее надеются, ибо они утверждают, если вы знаете всё о компонентах, вы знаете всё обо всём. Другая половина не верит в это, ибо не понимает, как с помощью струн можно объяснить чувства радости, скорби и тоски или торнадо. Так будет до тех пор, пока не будет это объяснено, какой физический объект природы представляет струну. А это не что иное, как фотон, представленный на данном сайте.

Грин прав, когда говорит:

”Хотя объяснить свойства торнадо на языке физики электронов и кварков непросто, я вижу здесь чисто вычислительные проблемы, а не признак того, что необходимы новые физические законы”.

Никаких новых физических законов не требуется. Надо осмыслить только, то, что уже есть. А вот это не верно:

”Почти все согласятся, что создание ТВС никоим образом не означает, что задачи психологии, биологии, геологии, химии или даже физики будут решены или каким-то образом классифицированы”.

Если теория струн ответит на выше поставленные вопросы, то есть найдет физический объект, соответствующий математической струне, то все задачи будут решены.

Хотя действительно теория струн не конец познания. За объектом струна идет объект поле, из которого и состоит струна.

Современное состояние теории струн.

”Центральной темой данной книги является объяснение устройства Вселенной на основе теории струн, при этом особое внимание уделено влиянию новых результатов на наше понимание пространства и времени” – пишет Грин.

Вот спрашивается: устройство атома относится к устройству Вселенной или нет? Почему мы облучаем рубиновый кубик зеленым цветом, а на выходе получаем красный цвет (лазер) – это относится к устройству Вселенной или нет? Или все результаты будут направлены на пространство и время?

Нам что земные вещи не интересны, давайте изучать пространство-время, черные дыры и тому подобное?

Автор, верно, считает, что теория струн ”не является окончательно разработанной теорией, имеющей надёжное экспериментальное подтверждение и полностью принятой научным сообществом. Поэтому теория струн должна рассматриваться как развивающееся направление, первые результаты которого уже продемонстрировали поразительное проникновение в сущность пространства, времени и материи. Главным успехом является гармоничный союз общей теории относительности и квантовой механики”.

Предположение: “теория струн отвечает на основополагающие вопросы, относящиеся к наиболее фундаментальным составным частям и взаимодействиям в природе”, будет верным в том случае, если эта теория укажет на связь математических объектов и физических объектов, которые описываются данной теорией. Если это не произойдет, то теория так и будет описывать виртуальный объект, не связанный с реальностью. Никто никогда не поймет, где искать или извлекать этот объект в природе, как его образовать, как на него воздействовать и т.п. А ведь это лежит на поверхности. Стоит только несколько отвлечься от математических образов и представить квант в виде образования соответствующих вихрей магнитного и электрического полей и потом соединить эти кванты в последовательную цепочку, точнее они сами соединяются в процессе генерации, мы сразу получим элементарный фотон определенной энергии. Это и есть струна, отвечающая данным мыслям: “Если теория струн справедлива, микроскопическая структура нашей Вселенной представляет собой сложно переплетённый, многомерный лабиринт, в котором струны Вселенной бесконечно закручиваются и вибрируют, ритмично отбивая законы космоса. Свойства основных кирпичиков мироздания, — будучи совсем не случайными, — глубоко связаны со структурой пространства и времени”.

Как не покажется странно, но именно струна связывает наше понятное нам трехмерное пространство с четвертым свернутым в большей или меньшей мере измерением. И это измерение очевидно и представимо человеком. Его с высокой степенью приближения можно представить таким образом.

Представьте себе водное пространство и в нем, например, рыбину. Она принципиально может двигаться по окружности или любой другой замкнутой траектории. На этой траектории она может двигаться с любой доступной ей скоростью и делать все что угодно. Но вместе с тем и сам водоем может двигаться по всем трем координатам, как угодно. Может даже двигаться относительно, например, нашей солнечной системы, точно также как рыба относительно воды. Причем движение рыбы по окружности с одной стороны вроде бы и независимо от движения воды в целом и вместе с тем абсолютная скорость движения рыбы изменяется при изменении скорости воды. И с другой стороны изменение скорости рыбы по окружности изменяет скорость рыбы по координатным осям движения воды. В принципе вот эту четвертую координату можно свернуть в точку. При увеличении скорости движения рыбы до световой, рыба может превратиться в точку и, соответственно, окружность выродится в точку. Эйнштейн ошибся при расчете изменения размеров тел при изменении их скорости. Взяв за начальные данные различные скорости света по осям координат, он получил сжатие только в направлении движения. Это не верно – скорость света не зависит от выбора направления в пространстве. В действительности тело изменяет свой объем, а не один размер.

Вот примерно так ведет себя электрон в атоме. Его свернутая координата, по существу орбита движения, может сжиматься и увеличиваться в зависимости от его скорости и орбитальной и скорости всего атома. Это сжатие и увеличение зависит от энергии струны, то есть фотона. А энергия струны зависит от суммарной скорости электрона. Примерно так связаны струны с пространством.

Современное состояние теории струн Грин определил так:

” В отличие от многих других научных открытий, то, о чём говорится здесь, не является окончательно разработанной теорией, имеющей надёжное экспериментальное подтверждение и полностью принятой научным сообществом”.

Будем ожидать новых открытий в теории струн.