Почнемо з основної ідеї теорії суперструн. Зі шкільного курсу фізики ми знаємо, що всі матеріальні тіла складаються з атомів.
Більшість із нас пам'ятає модель будови атома, схожу на сонячну систему, модель, де навколо атомного ядра (що складає із протонів і нейтронів) по орбітах риємо кружляються електрони.
Протягом деякого часу багато фізиків уважали, що протони, нейтрони й електрони є кінцевими, неподільними елементами речовини. Однак експерименти, проведені в 1968 році, продемонстрували, що протони й нейтрони складаються із часток ще меншого розміру - кварків.
У підсумку сучасна фізика вважає, що вся речовина Всесвіту складається із кварків і електронів.
Теорія суперструн іде далі й припускає наступне.
Якби могли з високою точністю, набагато порядків перевищуючі наші сучасні технічні можливості, досліджувати частки, з яких складається Всесвіт (кварки й електрони), то ми б виявили, що кожна частка є не малюсіньким крапковим об'єктом, а вібруючою петлею.
Кожна елементарна частка, відповідно до теорії супер струн, складається з коливного й тонкого (нескінченно тонкого) волокна, що фізики й назвали струною.
Отже, допустимо, що мир складається не із крапкових об'єктів, а з танцюючих волокон - струн.
У цьому випадку струни мають різні періоди коливань: електрон являє собою один вид коливань, u-кварк - інший тип, нейтрино - третій тип і т.п. Тоді мир виявляється чимсь на подобі звучної симфонії - кожна частка звучить на своїй "ноті".
Така, начебто б, невелика заміна крапкових часток на вібруючі струни дозволила усунути основне протиріччя сучасної теоретичної фізики - протиріччя між квантовою механікою й загальною теорією відносності.
Теорія суперструн не вносить ніяких радикальних змін в існуючі закони фізики, і це великий плюс, тому що ці закони перевірені експериментально. Однак теорія суперструн вносить істотні доповнення в наше розуміння реальності. Так відомо, що в кожної взаємодії є своя частка за допомогою якого ця взаємодія переноситься. Електромагнітна взаємодія переноситься фотонами, сильна взаємодія - глюонами, слабке - бозонами. Однак чим переноситься гравітація? Чому наші ноги твердо стоять на землі? Чому планети не летять від Сонця? Може бути гравітаційна взаємодія теж переноситься частками? Фізики припустили, що така частка існує, і назвали її гравітоном. Яке ж був подив провідних теоретиків, коли в молодої теорії суперструн була теоретично отримана частка, що володіє нульовою масою й подвійним спином (саме такими характеристиками й повинен був володіти гравітон). Із цього моменту й почалося широке визнання теорії суперструн.
На сьогоднішній день у теорії суперструн є наступні теоретичні досягнення:
вона відкрила шлях до побудови теорії гравітації;
вона дозволила об'єднання в єдиній математичній структурі всіх чотирьох фундаментальних взаємодій (сильне, слабке, електромагнітне й гравітаційне) і показала, що це різні прояви того самого фізичного принципу;
вона дала можливість дозволити більшість парадоксів, що виникають при конструюванні квантових моделей чорних дір;
вона дала новий погляд на походження Всесвіту й теорію Великого Вибуху.
Однак, всі не так просто. Рівняння теорії суперструн дають правильні рішення тільки при одній умові - якщо наш простір є 11-мірним! На додаток до звичного для нас 4-х мірному простору-часу (3 - протяжні простори й 1 - тимчасове), одночасно повинні існувати ще 7 протяжних просторів. Але якщо наші звичні 4 виміри є розгорнутими, те інші 7 вимірів є згорнутими й тому ми їх не бачимо. Хоча вони й існують у кожній крапці нашого простору. Більш того, додаткові просторові виміри не можуть бути згорнуті довільним образом: рівняння теорії струн істотно обмежують геометричну форму, що вони можуть приймати. Умовам рівнянь задовольняє один конкретний клас багатомірних геометричних об'єктів - простір Калаби-Яу (або різноманіття Калаби-Яу). Звичайно, зобразити на малюнку цей багатомірний простір досить складно, але передати загальні риси можливо. На малюнку 2 зображений один з варіантів цього різноманіття.
Основний парадокс квантової гравітації - несумісність квантового підходу до опису польових величин і вимоги просторово-тимчасової метрики (гравітаційного поля), здається, починає знаходити своє рішення в одній з новітніх фізичних теорій - теорії суперструн.
У цій теорії елементарні частки представляються у вигляді одномірного об'єкта, схожого на струну. Протяжний об'єкт може коливатися подібно гітарній струні, звуки, які видає струна при порушенні (скажемо, щипку), визначаються її натягом і розмірами. Частота коливань визначає висоту звуку. Так само й у суперструнах. Існують моди коливань суперструн, частота кожної моди визначає частку і її енергію. Відомі частки інтерпретуються як різні моди коливань єдиної струни.
Теорія суперструн володіє також суперсиметрією - симетрією, що поєднує частки із цілим спином (приміром, фотони) і напівцілим спином (наприклад, електрони) у єдину схему. Загалом кажучи, з погляду фізиків, які займаються теорією суперструн, вона має масу достоїнств і практично позбавлена недоліків. З погляду інших фахівців, у цієї теорії є істотний недолік - її неможливо (принаймні поки) перевірити експериментально в лабораторії. Не можна в лабораторії - може бути можна перевірити, спостерігаючи Всесвіт? Один з додатків, що розвиваються активно зараз, теорії суперструн - це дослідження (теоретичне) їхніх можливих проявів у ранньому Всесвіті й у граничних чорних дірах - об'єктах з максимальним гравітаційним полем.
Розмір (поздовжній) в однієї суперструни малий, він порядку планковського розміру 10-33см. Тому з погляду сучасної експериментальної фізики суперструни представляють із себе крапкові об'єкти. Гравітація включається в теорію суперструн природно, як один зі ступенів волі. Оскільки для нашого викладу важливо, як саме виходить гравітаційна взаємодія з теорії суперструн, зупинимося на цьому спеціально.
Загальна теорія відносності, що у теорії суперструн є всього лише одним із взаємодій, що допускаються цією теорією, описує гравітаційне поле як скривлений чотирьохмірний просторово-часовий континуум. Наявність мас визначає кривизну простору, самі маси рухаються в такому просторі по лініях мінімальної довжини - геодезичним. Гравітаційні рівняння визначають не тільки структуру простору, але й рух матерії в ньому.
У теорії суперструн взаємодії діють у світі, розширеному до більшого числа вимірів, наприклад, до дев'яти просторових вимірів і одного тимчасового. Ясно, що шість просторових вимірів повинні бути «сховані» від спостерігача. У звичайних умовах ми не повинні зауважувати присутності додаткових вимірів. Вони є "згорнутими".
Уявимо собі бублик. У геометрії така фігура називається тором. У тора є два радіуси. Перший — «великий», це радіус окружності А. Другий радіус меншого розміру, це радіус окружності В. Нехай відношення цих радіусів велике, скажемо 1060; радіус окружності А становить 1030 див, а радіус окружності В становить 10-30 див. Тоді істоті, що володіє досить більшими розмірами, скажемо, порядку 1 м, і живучий на поверхні тора, буде здаватися, що тор одномірний. Це істота не зможе «протиснутися» у додатковий вимір.
Так само й у світі, що описується теорією суперструн, додаткові шість вимірів "маленькі" і "згорнуті". Три виміри більші, свідомо більше чим 1028 див, а шість мають радіус кривизни не більше чим 10-17 див, а скоріше 10-33 див.
У такому світі взаємодій набагато більше, ніж у звичному нам чотирьохмірном світі. Багато хто з них можна ототожнити зі звичними нам частками й полями.
Теорія суперструн дуже далека від завершення. Може бути, після побудови цієї теорії фізики, нарешті, одержать теорію, що є універсальною. Ім'я для такої теорії вже придумали: «Теорія всього на світі»; англійська абревіатура цього вираження є TOE (Theory of Everything).
Основне питання до теорії суперструн - структура космологічної сингулярності (принаймні в рамках цієї, нехай ще й не доведеної теорії) - не вирішений. Чи існує стаціонарне утворення, яке можна асоціювати з вакуумним станом у цій теорії? Відповідь на це питання намагаються дати деякі дослідники. З періодом у кілька років відповідь міняється на протилежний. Відбувається так не тому, звичайно, що дослідники не занадто старанні, а тому, що проблема є винятково важкою для рішення.
Чому багато хто вважають, що сингулярності необхідно уникати? У сингулярності не застосовні будь-які фізичні закони й рівняння. На думку відомого російського космолога А. А. Старобинського, у деякому змісті, сингулярність - це відсутність передбачуваності й кінець фізичних методів в описі нашому Всесвіту. Якщо наш Всесвіт народився із сингулярності, є момент утвору, виходить, існував творець. Якщо Всесвіт може перебувати в стаціонарному стані (яке описується, наприклад, теорією суперструн) як завгодно довго, а початок процесу розширення - розпад зі стану (із щільністю, тиском і температурою порядку або навіть вище), аналогічний розпадові-альфа-розпаду ядра, то гіпотеза творця є зайвою. Однак, повторю, ця проблема залишається невирішеної.
По сучасних уявленнях простір-час у планковських масштабах представляє із себе фантастичну фігуру, що більше нагадує монстра з фільмів жахів, чим об'єкт фізичних досліджень. Чи є ця картина правильною, покажуть майбутні дослідження.
ВИСНОВОК
На закінчення курсової роботи хочеться підкреслити всю невідомість цього миру, необхідність пізнання й подальшого дослідження.
Побудова єдиної теорія полів і взаємодій є завданням фундаментальної фізики. Незалежно від успіхів каліброваних полів у фізику залишається ще величезна кількість невирішених проблем. Як показує досвід розвитку науки, природа часто виявляється складніше наших уявлень про неї.
ЛІТЕРАТУРА
1. Бояркин О.М. Фізика елементарних часток. – К., 2005 р.
2. Глечиків В.И., Стражев В.І. Від наукової гіпотези до наукового факту. – К., 2005.
3. Стражев В.И. До таємниць Всесвіту. – К., 2006
4. Грін Б., Елегантний Всесвіт. Суперструни, сховані розмірності й пошуки остаточної теорії. – К., 2003
5. Окунь Л.Б. Фізика елементарних часток. - К., 2004 р.
6. Паркер Б., Мрія Ейнштейна. У пошуках єдиної теорії будови Всесвіту. – К., 2006
