О теории струн простыми словами🧠

Теория струн появилась около 60-ти лет назад. За это время она пережила несколько этапов: ее рассматривали как сенсацию, в ней сомневались, ее хоронили, а затем оживляли. Наконец, ее несколько раз преобразовывали с целью решения выявленных ошибок и устранения аномалий. Что же представляет собой теория струн и как к ней относятся сегодня? Попробуем рассказать максимально просто и доступно!

Правда, есть один нюанс. Рассказать о теории струн кратко вряд ли получится. Даже если у вас были хорошие оценки по физике в школе, вы понимаете базовые теории и знаете фундаментальные законы, посвящению в теорию струн придется уделить время. Итак, обо всем по порядку.

Общая теория относительности vs квантовая теория

По сей день большинство процессов и явлений во вселенной можно объяснить, основываясь на этих фундаментальных теориях.

Квантовая теория описывает любые взаимодействия между элементарными частицами. Эта глобальная и точная теория — одно из самых больших достижений в области физики. Она включает описания трех важнейших физических сил:

• Сильное ядерное взаимодействие описывает притяжение между протонами и нейтронами — так формируются ядра атомов;
• Электромагнитное взаимодействие описывает связи между электрически заряженными частицами;
• Слабое взаимодействие описывает процесс распада ядер атомов и распады элементарных частиц.

Квантовая теория не просто описывает эти взаимодействия. Ученым удалось доказать, что все эти силы имеют общую природу. Но, несмотря на огромное значение для физики, квантовая теория не идеальна. Пожалуй, главный ее недостаток — невозможность описания четвертой физической силы, гравитации. Правда, с этим отлично справляется общая теория относительности. Согласно ей, окружающее пространство представляет собой гладкое и ровное полотно, которое может деформироваться материальными объектами.

Главная проблема — невозможность увязать понятия и объяснения из обеих теорий в рамках одного фундаментального учения. Квантовая теория описывает взаимодействия частиц, но она бессильна, когда речь заходит о гравитации, которую мы наблюдаем невооруженным глазом (в отличие от связей между частицами). А теория относительности хорошо работает на больших масштабах — в макромире, но она совсем неприменима к тому, что происходит на субатомном уровне. В 1926-м году немец Вернер Гейзенберг предложил известный принцип неопределенности. Именно он описывал хаотичное, бурное и непредсказуемое поведение частиц в микромире. Все происходящее на этом уровне полностью отличается от того, что мы видим в окружающей среде.

Кстати, именно принцип Гейзенберга заставил физиков вновь взяться за активную работу. Ведь еще в конце 19-го столетия ученые считали, что все вопросы физики решены, все фундаментальные открытия уже сделаны. Но Гейзенберг не позволил коллегам расслабиться. Его принцип неопределенности и, что еще важнее, несовместимость теории относительности и квантовой теории, заставили физиков двигаться дальше. Так в начале 60-х годов и появилась теория струн.

Планируете путешествие, но не с кем поехать? Давно хотели открыть для себя страйкбол, но нет большой компании? А может, вы находитесь в поиске второй половинки? Тогда портал Invme — то, что вам нужно. Регистрируйтесь и получайте доступ к десяткам и сотням интересных предложений от жителей разных городов России. Создавайте свое мероприятие и собирайте компанию жизнерадостных, открытых приключениям людей. Присоединяйтесь к Invme прямо сейчас!

Теория всего

Именно такое альтернативное название получила струнная теория. Ведь в ней удалось, наконец, увязать две фундаментальные теории — квантовую и теорию относительности. Говорят, что об этом до самой смерти мечтал Альберт Эйнштейн. Да и простые люди догадываются, что все явления и процессы, все происходящее во Вселенной может быть описано в рамках одной системы, то есть нам не нужно несколько теорий для описания происходящего на разных масштабах. Вероятно, требуется всего одна формула. Теория струн — большой шаг в этом направлении. Но насколько верным он оказался?

Базовый термин теории — струны. В рамках данной теории элементарные частицы, из которых состоят все объекты во Вселенной, представлены именно в таком виде. Каждая из этих струн в миллиарды раз меньше электрона. При этом каждая может извиваться, растягиваться, сжиматься, представлять собой замкнутый или разомкнутый элемент. Струны могут объединяться между собой и разъединяться.

Главная характеристика струны — частота колебания. Именно по этому признаку и различают между собой разные частицы. От колебания зависит также масса, заряд и прочие параметры отдельно взятой струны. В общем, авторы новой теории не просто решили заменить схематическое обозначение частиц (струны вместо точек), но и сумели интересно все объяснить. Кроме того, надо сказать, что теория струн довольно гибкая. К моменту ее “премьеры” там все еще было много странных понятий, указывающих на ошибки и “аномалии”. Но то, что ученым удалось объединить знания о четырех фундаментальных взаимодействиях в рамках одной теории, не могло остаться без внимания сообщества.

А вы знаете, что такое мегаломания? Если нет, эта статья — специально для вас.

Проблемы теории струн

Самое время затронуть те самые ошибки теории, из-за которых у нее изначально было много критиков. Одна из самых вопиющих — наличие некой частицы, лишенной массы, движущейся быстрее скорости света, да еще и назад во времени. Ее название — Тахион. Ошибку удалось исправить, представив миру новую версию теории — теорию суперструн. В ней уже не было места гипотетическим частицам с фантастическими параметрами, но самих частиц стало куда больше. Правда, доказать их существование экспериментальным путем все еще невозможно. Кстати, это и есть главная проблема всей теории струн. Но об этом — немного позже.

Другая проблема — серьезные нестыковки с теорией относительности. Увязать описание всех четырех сил в рамках одной теории недостаточно, чтобы струнная теория выглядела логично и правильно. Так, теория предусматривает наличие гораздо большего количества измерений в сравнении с тем, к чему мы привыкли (3 пространственных измерения и 1 временное). Расчеты указывают на 10 измерений, а в более продвинутых версиях речь идет даже о 26 измерениях. Очевидный вопрос: если измерений так много, почему мы их не наблюдаем?

И на этот счет у сторонников струнной теории есть объяснение. Они предполагают, что измерения просто свернуты и занимают настолько мало места, что видеть их невозможно. Собственно, как сами струны. Кроме того, свернутые измерения характеризуются искривленной, сложной формой. И именно эта форма влияет на колебания элементарной частицы, то есть струны, что находится внутри скрытого измерения. А колебания, как мы уже знаем, определяют все характеристики частицы. Выходит, что все устройство Вселенной зависит именно от скрытых, свернутых измерений.

Подтвердить существование других пространственных измерений можно было бы опытным путем. Если бы в ходе эксперимента удалось зафиксировать появление или исчезновение объекта, это можно было бы списать на магию, а можно было бы объяснить именно существованием другого измерения, недоступного для наших глаз. Но ни в одном эксперименте не был нарушен закон сохранения энергии.

Зато о других измерениях, феноменах и гипотетических сценариях развития событий во Вселенной можно узнать из кино. Вот подборка фантастических фильмов для вас!

С экспериментами, которые могли бы подтвердить или доказать хоть что-нибудь из теории струн, вообще все сложно. Подходящего оборудования для проведения необходимых опытов нет, и в ближайшие годы оно вряд ли появится. Были надежды на адронный коллайдер, но увы. Доказать существование других измерений, кроме известных нам трех, пока никому не удалось. Скептики утверждают, что доказать или окончательно опровергнуть теорию можно будет не раньше, чем через сто лет.

Но и это еще не все. Если невозможно проверить что-то опытным путем, можно заняться расчетами. Если используя методику, лежащую в основе струнной теории, удастся вывести результат, подтверждаемый на деле, значит, все не так безнадежно. Но и здесь беда: теория струн чрезвычайно сложна в математическом плане. Для решения соответствующих уравнений пока даже не придумали подходящих методов. Ученые, что занимаются развитием теории, часто пользуются приближенными, а не точными методами. Это дает скептикам очередной повод для критики теории струн.

На каком-то этапе теория струн стала слишком сложной и запутанной. В 80-х годах прошлого века ученые выдвинули 5 различных вариантов теории, в каждой из которых фигурируют дополнительные измерения. Несмотря на то, что фундамент у всех пяти версий схож, в деталях эти теории сильно различаются. В итоге попытки усовершенствовать теорию, устранить из нее ошибки и противоречия привели к обратному эффекту — большинство ученых все же считают теорию не заслуживающей большого внимания. Тем более, что кроме струнной теории развиваются и другие, не менее перспективные и правдоподобные.

Как выглядит Земля из космоса? Вот наша подборка прямых трансляций! Спешите видеть все своими глазами!

В чем ценность теории струн?

Что такое теория струн простым языком? Если взглянуть на нее в целом и не вдаваться в детали, это попытка посмотреть на все, что мы знаем и видим, под другим ракурсом. До появления теории струн не было глобальных попыток пересмотреть уже устоявшиеся, общепринятые нормы. А вот авторам новой теории удалось всколыхнуть “застоявшееся болото”. Физики стали все чаще предполагать, что микрочастицы действительно могут быть в миллиарды раз меньше электронов (и пусть даже они не похожи на струны). Мы задумались над существованием других измерений, о чем, правда, еще в 1919-м году писал немец Теодор Калуца, а Альберт Эйнштейн считал его предположение заслуживающим внимания. Далее эту идею развил шведский ученый Оскар Клейн, который представил, что невидимое для нас измерение может быть свернуто в микромасштабе. По сути, именно эта идея и легла в основу теории струн. В общем, физики стали смотреть на постулаты немного иначе.

Еще одна ценность новой теории в том, что она перевела физиков от вопроса “Как устроен мир?” к не менее важному: “Почему мир устроен именно так?”. На первый вопрос физики пусть и не ответили до конца, но им удалось достичь серьезного прогресса в этом направлении. А вопрос “Почему?” может заставить многих ученых взглянуть на исследования и опыты под другим углом. Пусть даже эта работа не будет напрямую связана с теорией струн.

Кроме того, не забывайте, что в рамках теории струн действительно удалось увязать объяснения для всех явлений, процессов и объектов, наблюдаемых во вселенной. И пусть в ней еще много нестыковок, это дорогого стоит. Сейчас ученые пытаются усовершенствовать теорию, из-за чего базовая теория струн получила несколько ответвлений. И пусть популярность этой в каком-то смысле революционной теории снижается, очевидно, что ее нельзя назвать провальной.

Бонус: интересные факты о физике

Если вам показалось, что статье было недостаточно физики (хоть это и вряд ли), приводим интересные факты о физике:

• Преодолеть скорость звука не так сложно, как кажется. Кончик обыкновенного кнута при взмахе движется так быстро, что опережает звук. Именно в момент перехода им звукового барьера и раздаётся хлопок.
• Некогда физики были удивлены узнать, что температура разряда молнии примерно впятеро превышает температуру поверхности Солнца.
• Как известно, от воздействия высоких или низких температур сжимаются самые разные вещества, не только газообразные. К примеру, высота Эйфелевой башни можно колебаться в пределах 12 сантиметров в зависимости от погоды, так как нагреваемый солнцем металл расширяется.
• Солнце кажется красным утром и вечером из-за того, что его лучи в это время проходят через нижние слои атмосферы, насыщенные пылью и другими частицами. А за пределами атмосферы все звёзды, включая Солнце, в визуальном спектре вообще выглядят белыми.
• Физики до сих пор не знают, почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.
• На обычную материю приходится около 5% массы наблюдаемой вселенной. Ещё около 22% приходится на тёмную материю, о которой вообще до сих пор почти ничего не известно.
• Одним из наиболее выдающихся физиков XX века был Альберт Эйнштейн. Многие его теории до сих пор разрабатываются современными учёными.
  
  

• Впервые учёным удалось создать антиматерию в 1965 году. Судя по всему, в естественном состоянии в нашей Вселенной антивещество вообще не встречается, но в лаборатории получить его можно.
• Такое интересное явление, как северное сияние, возникает при взаимодействии солнечного ветра с верхними слоями атмосферы Земли. Физики давно уже разгадали эту загадку.
• Жидкость бывает не только обычной, привычной нам, но и неньютоновской. В качестве примера таковой можно привести, например, зыбучие пески.
• Скорость распространения звука напрямую зависит от плотности среды. Так, в воде или гранитном массиве она будет выше, чем в воздухе.
• В числе прочих интересных фактов о физике нельзя не упомянуть и то, что плотность воды напрямую зависит от её температуры. Максимальная плотность достигается при +4 градусах, а замёрзший лёд и вовсе менее плотен, чем вода, поэтому и плавает в ней, а не тонет.
• Существует множество разделов физики, изучающих разные вещи, причём многие из них сами поделены на подразделы. Так, в рамках этой науки существует астрофизика (строго говоря, это раздел астрономии, но основан он на принципах физики и химии), а внутри неё есть физика звёзд, физическая космология и другие направления.
• Наряду с математикой физику можно назвать важнейшей наукой на Земле. Всё, что отличает современное человечество от первобытных людей, появилось в результате применения на практике физических открытий.
• В древности слова “физика” и “философия” были синонимами, так как задача у этих наук была одна и та же – постижение принципов, по которым работает Вселенная.
• В самостоятельную науку физика развилась лишь в XVI веке, а результате научной революции.
• Температура молнии превышает температуру солнечной поверхности в несколько раз. Хотя недра Солнца, конечно, нагреты не до тысяч градусов, а до миллионов.
  
  

• Так как физика – это наука о природе, она в каком-то смысле является естествознанием, то есть частью природоведения.
• Только с развитием этой науки стали известные некоторые, казалось бы, очевидные сейчас вещи. Такие, как плотность воды, которая напрямую зависит от её температура. Исследования показали, что плотность льда ниже плотности жидкой воды, поэтому он и не тонет, а максимальной плотности вода достигает при 4 °C.
• Звук не распространяется в вакууме, но распространяется через любые материалы. Так, в безвоздушной среде он будет распространяться через каменный массив не хуже, чем на Земле.
• В современной физике существует множество нерешённых проблем.
• Никто точно не знает, когда физика возникла, как наука. Она является одной из древнейших наук в мире, и древнейшие свидетельства попыток научного познания мира относятся к эпохе Месопотамии и Древнего Египта, то есть и по 3000-4000 лет.
• Между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами разницы не меньше, чем между менеджером по продаже пылесосов и строителем. Теоретики работают исключительно головой, а экспериментаторы опровергают или подтверждают их теории на практике.
• В Древнем Китае физика была уважаемой наукой ещё в V веке до н. э., то есть 2500 лет назад.
• В Древней Индии физики-натурфилософы считали, что весь мир состоит из пяти базовых элементов: земля, вода, воздух, огонь и эфир.
• Теория о том, что всё сущее состоит из молекул и атомов, впервые была сформулирована индийскими учёными ещё в VII веке до н. э. Правда, они полагали, что
• Понятие эфира, всепроникающего вещества, заполняющего мир, присутствовало в физике до XIX века.
• Антиматерию, или антивещество, обнаружить в Млечном Пути или за его пределами не удалось, но в микроскопических объёмах получать её научились ещё в 1965 году. В случае взаимодействия “нормального” вещества и антивещества они аннилигируются.
  
  

• С момента своего появления физика имела большое прикладное значение. К примеру, двигатели внутреннего сгорания никто бы так и не изобрёл, если бы не такие физические дисциплины, как механика и термодинамика.
• Когда Вселенная образовалась, атомов не было. Были только элементарные частицы, да и то не все. Атомы элементов практически всей таблицы Менделеева образовались в ходе ядерных реакций в недрах звезд, когда более легкие ядра превращаются в более тяжелые. Мы и сами состоим из атомов, образовавшихся в далеком космосе.
• Мы живем в материальном мире и все, что есть вокруг, – материя. Ее можно потрогать, продать, купить, можно что-то построить. Но в мире есть не только материя, а еще и темная материя. Она не излучает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Темную материю, по понятным причинам, никто не трогал и не видел. Ученые решили, что она существует, наблюдая некоторые косвенные признаки. Считается, что темная материя занимает около 22% в составе Вселенной. Для сравнения: привычная нам старая добрая материя занимает лишь 5%.

Вряд ли у нас получилась статья в духе “Теория струн для чайников”. Но мы все же пытались объяснить вам суть струнной теории доступным языком. А как вы считаете, какое будущее ждет теорию струн? Когда удастся провести первые удачные эксперименты, опровергающие или подтверждающие основы теории? Возможно, уже скоро на первый план выйдет совсем другая теория устройства мира? Поделитесь размышлениями в комментариях.

Хотите узнать больше о нашем мире? Тогда вот подборка лучших фильмов от BBC! О природных явлениях, аномалиях, животных, разных уголках нашей замечательной планеты.

А если вам кажется, что вы знаете о нашем мире все, взгляните на эту подборку фактов. Наверняка найдется хотя бы один пункт, что удивит вас.