В прежние времена главной функцией науки было объяснение очевидных явлений природы и выявление базовых закономерностей, объясняющих эти феномены. То есть наука должна была объяснить, почему в мире происходит то, что происходит. В наши дни теоретические направления науки, в первую очередь физики, выполняют совершенно иную задачу: они стремятся построить такие модели мироздания, которые бы объясняли всё: как возник мир, почему и как развивается, с какой скоростью и так далее. Одним из самых смелых современных шагов в этом направлении является теория струн, меняющая представления о реальности не только для обывателей, но и для учёных.
Теория струн для «чайников»: легче описать, чем понять
Не вдаваясь в теоретические подробности, можно сформулировать происхождение и главный посыл данной теории. С первой половины XX века теоретическая физика находится в состоянии глубокой озабоченности. Дело в том, что две главные физические концепции, на которых строятся современные научные представления о мире, находятся в определённом противоречии друг с другом. То есть общая теория относительности и квантовая механика по-разному представляют себе строение мироздания на микроуровне.
Теория относительности полагает, что Вселенная состоит из равномерного «полотна» микрочастиц, которое благодаря собственной однородности обладает определённой гибкостью и поэтому способно к изменениям времени и пространства. Квантовая механика видит микромир по-другому: согласно данной картине мира, микрочастицы обладают изрядным зарядом хаотичности, они не расположены равномерно, предсказать наличие той или иной частицы в определённый момент времени в определённой точке пространства невозможно. Таким образом, квантовая механика говорит о том, что в мире микрочастиц понятия времени и пространства настолько переплетены и сумбурны, что даже теряют свой смысл.
Теория относительности показала на практике свою эффективность в области гравитации, тогда как квантовая механика прекрасно объясняет механизмы слабого взаимодействия, электромагнетизма и ядерного взаимодействия. Почему же базовые научные теории противоречат одна другой?
Во второй половине прошлого столетия была выдвинута теория квантовых струн, которая является попыткой примирить общую теорию относительности и квантовую механику.
Согласно струнной гипотезе, микрочастицы могут вести себя по-разному в тех или иных условиях по той причине, что на самом деле они не являются точечными частицами. Протоны, электроном и прочие элементарные частицы, составляющие атомы, это не точки в пространстве, а протяжённые объекты, получившие название квантовых струн. Эти струны могут вибрировать в различных тональностях и в зависимости от того, в какой тональности они «звучат», они приобретают различные свойства. В зависимости от вида вибрации квантовых струн элементарная частица может менять свои функции, то есть быть попеременно протоном, электроном, бозоном и так далее. И именно от тональности вибраций этих струн зависит возникновение того или иного вида взаимодействия между элементарными частицами (гравитация, ядерное взаимодействие, электромагнетизм, слабое взаимодействие).
Пространства и времени уже недостаточно
Таким образом, при принятии теории квантовых струн как рабочей структура строения Вселенной дополняется новым уровнем. До появления квантовой механики физическая наука представляла себе строение мира в качестве последовательных уровней в порядке уменьшения их масштаба. Сначала шёл макроскопический уровень – вещественные объекты, наблюдаемые нами невооружённым глазом. Затем был молекулярный уровень – вещество состояло из молекул. Далее следовал атомный уровень – начиная с античности и практически до XX века в представлении учёных это был предельный уровень (не зря же само слово «атом» означает «неделимый»). Но затем был обнаружен субатомный уровень, выяснилось, что атомы очень даже делимы, они состоят из элементарных частиц (электроны, протоны, нейтроны). Квантовая механика открыла ещё один субатомный уровень, расположенный по масштабу ещё ниже – кварки в десятки тысяч раз меньше элементарных частиц. И вот теперь открыт ещё более глубокий уровень строения мира – элементарные частицы, включая кварки, не являются точечными, а состоят из квантовых струн.
Ещё одним важным последствием появления теории струн является пересмотр представлений о размерности пространства. Размерность это понятие, отражающее представление о количестве измерений. Наш обычный окружающий мир является четырёхразмерным: это три измерения пространства (ширина-глубина-высота) плюс время. Теоретические расчёты и математические уравнения показывают, что теория квантовых струн работает лишь при том допущении, что в микромире существует как минимум шесть дополнительных измерений, которые в сумме с четырьмя «старыми» измерениями дают десятиразмерную картину мира. Более того, в некоторых моделях говорится о 12-размерной модели мира, о 26-модельной модели мира, и тому подобное. И согласно теории квантовых струн, именно дополнительные измерения на микроуровне имеют решающее значение для возникновения и развития мироздания. Стандартные четыре измерения (пространство плюс время) являются лишь внешней формой, в которых существует мир; глубинные же процессы формируются за счёт дополнительных измерений.
Правда, теория квантовых струн это красивая и по многим параметрам достоверная теория – но на сегодняшний день она не имеет практических доказательств. Теория струн выглядит весьма убедительно и стройно в своём математическом виде, на уровне расчётов. Кроме того, она в общем и целом укладывается в современные представления о физическом структуре мира и соответствует другим теориям, имеющим ту или иную доказательную базу. Но вот проверить практическим путём саму струнную теорию пока не представляется возможным.
Если квантовые струны действительно существуют, то они «находятся» на столь ничтожном с нашей точки зрения микроскопическом уровне, что наука пока не располагает техническими возможностями доказать их существование, «увидеть» если не сами струны, то хотя бы непосредственные результаты их функционирования. Достаточно было бы зафиксировать хотя бы следы вибрации квантовых струн, чтобы развивать теорию дальше, однако в обозримом будущем у науки не предвидится таких технических способностей. В силу этого ряд учёных предлагают не присваивать теории струн научного характера, пока она не получит экспериментальных доказательств.
Александр Бабицкий
