Великата симфония на Вселената
Последно: 28 ноември 2014 г. в 10:41
Минавала ли ви е мисълта, че Вселената прилича на виолончело?
Вероятно не ви е минавала, тъй като Вселената не прилича на виолончело. Но това не означава, че тя няма струни.
Разбира се, струните на света едва ли приличат на тези, които си представяме.
В теорията на струните така се наричат невероятно малки и вибриращи нишки материя. Тези нишки приличат по-скоро на мънички „гумички“, способни да се извиват, разтягат и свиват във всички посоки.
Всичко това обаче не означава, че с тях не може да се „изсвири“ симфонията на Вселената, тъй като от тези „нишки“ според струнните теоретици се състои всичко.
Противоречието на физиците
Във втората половина на XIX век физиците смятали, че нищо сериозно повече не може да се открие в тяхната наука. Класическата физика смятала, че сериозни проблеми не са останали в нея, а цялото устройство на света изглеждало като идеално смазана и предсказуема машина.
Но оставало едно облаче на чистото и ясно небе на науката. А именно – при изчисление на енергията на лъчение на абсолютно черно тяло (хипотетично тяло, което напълно поглъща падащото върху него лъчение, независимо от дължината на вълната). Изчисленията показвали, че общата енергия на излъчване на всяко абсолютно черно тяло трябва да е безкрайно голяма.
За да излезе от този толкова явен абсурд, немският учен Макс Планк през 1900 година предположил, че видимата светлина, рентгеновите лъчи и други електромагнитни вълни могат да изпускат само някои дискретни порции енергия, които той нарекъл кванти.
С тяхна помощ бил решен частният проблем на абсолютно черното тяло. Но последствията на квантовата хипотеза за детерминизма тогава все още не се осъзнавали. Докато през 1926 година друг немски учен, Вернер Хайзенберг, не формулирал прочутия принцип на неопределеност.
Същината му се свежда до това, че въпреки всички господстващи до този момент твърдения природата ограничава нашата способност да предсказваме бъдещето въз основа на физичните закони. Става дума, разбира се, за бъдещите и настоящите субатомни частици.
Изяснило се, че те се държат далеч не така, както това правят всички неща в заобикалящия ни макросвят. На субатомно ниво тъканта на пространството става неравна и хаотична. Светът на малките частици е толкова бурен и неразбираем, че това противоречи на здравомислието.
Пространството и времето в него са толкова изкривени и преплетени, че там няма обичайни понятия за ляво и дясно, горе и долу и дори преди и след това. Не съществува начин да се каже със сигурност в каква точно точка от пространството се намира в даден момент една или друга частица и какъв е нейният импулс.
Не е определен и самият „статус“ на частиците – в едни случаи те се държат като вълни, в други проявяват свойства на частици. Физиците наричат това корпускулярно-вълнови дуализъм в квантовата теория.
В общата теория на относителността нещата стоят различно. Пространството прилича на нещо като батут – гладка тъкан, която може да се огъва и разтяга от обекти, притежаващи маса. Те създават деформация на пространство-времето – това, което усещаме като гравитация.
Нужно ли е да казваме, че стройната и предсказуема обща теория на относителността се намира в неразрешим конфликт с квантовата механика и като следствие макросветът не може да се „помири“ с микросвета. Тук на помощ идва теорията на струните.
Теорията на струните въплъщава мечтата на всички физици по обединението на двете изключително противоречиви ОТО и квантова механика – мечта, която до последно не давала покой на Алберт Айнщайн.
Много учени смятат, че всичко – от изискания танц на галактиките до безумното подскачане на субатомните частици, може да се обясни само с един фундаментален физичен принцип. Може би дори единен закон, който да обедини всички видове енергии, частици и взаимодействия в елегантна формула.
ОТО описва една от най-известните сили на Вселената – гравитацията. Квантовата механика описва трите други сили – силно ядрено взаимодействие, което свързва протоните и неутроните в атоми, електромагнетизъм и слабо взаимодействие, което участва в радиоактивния разпад.
Всяко събитие във Вселената – от йонизацията на атома до раждането на звездите – се описва от взаимодействията на материята посредством тези четири сили. Установено е, че електромагнитното и слабото взаимодействие имат обща природа, обединяваща ги в едно електрослабо. Впоследствие към тях се добавило и силното ядрено взаимодействие, но гравитацията не могла да се присъедини към тях.
Теорията на струните е една от най-сериозните кандидатки да обедини всички четири сили, тоест да обеме всички явления във Вселената – затова тя още се нарича „теория на всичко“.
В началото беше митът
Досега далеч не всички физици са във възторг от теорията на струните. А в зората на нейната поява тя изобщо изглеждала безкрайно далечна от реалността. Самото ѝ раждане е легенда.
В края на 60-те години младият италиански физик-теоретик Габриеле Венециано търсел уравнения, които да обяснят силните ядрени взаимодействия – изключително мощно „лепило“, скрепващо атомните ядра, свързващо ведно протони и неутрони.
Според легендата той случайно попаднал на прашна книга по история на математиката, в която намерил уравнение на двеста години, записано от швейцарския математик Леонард Ойлер.
Какво било учудването на Венециано, когато открил, че уравнението на Ойлер, което дълго време било смятано за математически любопитно, описва това силно взаимодействие.
Как е било всъщност? Уравнението вероятно е резултат от дългогодишния труд на Венециано, а случаят само помогнал да направи първата крачка към откриването на теорията на струните. Уравнението на Ойлер, което по чудесен начин обяснява силното взаимодействие, заживяло нов живот.
В края на краищата то попаднало пред очите на младия американски физик-теоретик Ленард Съскинд, който видял, че на първо място формулата описва частици, които нямат вътрешна структура и не могат да вибрират. Тези частици се държали така, че не можели да бъдат точно частици.
Съскинд разбрал – формулата описва нишка, която е подобна на еластична лента. Тя можела не само да се разтяга и свива, но и да се колебае, извива. Описвайки своето откритие, Съскинд представил революционната идея на струните.
За съжаление повечето от колегите му посрещнали теорията доста сдържано.
Стандартният модел
В същото време общоприетата наука представяла частиците като точки, а не като струни. Дълги години физиците изследвали поведението на субатомните частици, сблъсквайки ги на високи скорости и изучавайки последствията от тези сблъсъци.
Станало ясно, че Вселената е много по-богата, отколкото можело да си представим. Това бил истински „демографски взрив“ на елементарни частици. Аспирантите на физическите вузове тичали по коридорите с викове, че са открили нова частица – не стигали дори буквите за тяхното обозначение.
Но уви, в „родилния дом“ на новите частици учените така и не могли да намерят отговор на въпроса: защо частиците са толкова много и откъде се вземат?
Това подтикнало физиците към необичайно и потресаващо предсказание – те разбрали, че силите, действащи в природата, също може да се обяснят с помощта на частици. Тоест съществуват частици материя, а има и частици, преносители на взаимодействието. Такъв се явява например фотонът – частицата светлина.
Колкото повече са тези частици преносители, толкова по-ярка е светлината. Учените предсказвали, че именно този обмен е това, което ние възприемаме като сила. Това се потвърдило от експерименти. Така физиците успели да се приближат към мечтата на Айнщайн за обединяване на силите.
Учените смятат, че ако ние се пренесем към момента веднага след Големия взрив, когато Вселената е била с трилиони градуси по-гореща, частиците преносители на електромагнетизма и слабото взаимодействие ще станат неразличими и ще се обединят в една-единствена сила, наречена електрослаба. А ако се върнем още по-далеч във времето, то електрослабото взаимодействие би се съединило със силното в една сумарна „суперсила“.
Независимо че всичко това още чака своите доказателства, квантовата механика обяснила как три от четирите сили си взаимодействат на субатомно ниво. Освен това го обяснявала красиво и непротиворечиво. Тази стройна картина на взаимодействие в крайна сметка получила названието Стандартен модел.
Но уви, в тази съвършена теория имало един голям проблем – тя не включвала най-известната сила на макрониво – гравитацията.
Гравитонът
За неуспялата да разцъфти теория на струните настъпила есен, тя и без това съдържала много проблеми от самото си рождение. Например предсказвала съществуването на частици, които, както било установено скоро, не съществуват.
Това е така нареченият тахион – частица, която се движи във вакуум по-бързо от светлината. Освен останалото станало ясно, че теорията изисква цели 10 измерения. Не е чудно, че това доста смущавало физиците, тъй като това очевидно е повече от това, което виждаме.
Към 1973 година само някои млади физици все още се борели със загадъчното съдържание на теорията на струните. Един от тях бил американският физик-теоретик Джон Шварц. Четири години Шварц се опитвал да укроти буйните уравнения, но без успех. Освен другите проблеми едно от тези уравнения упорито описвало тайнствена частица, която нямала маса и не се наблюдавала в природата.
Ученият тъкмо решил да изостави яловата работа, и изведнъж го осенило вдъхновение – може би уравненията от теорията на струните описват включително и гравитацията?
Впрочем това подразбирало преразглеждане на размерите на главните „герои“ на теорията – струните. Смятайки, че струните са милиарди и милиарди пъти по-малки от атома, привържениците на тази теория превърнали нейните недостатъци в достойнства.
Тайнствената частица, от която Джон Шварц толкова старателно се опитвал да се отърве, сега влязла в качеството на гравитон – дълго търсена частица, която би позволила да се пренесе гравитацията на квантово ниво.
Именно така теорията на струните допълнила пъзела с гравитацията, липсваща в Стандартния модел. Но уви, дори на това откритие научната общественост не реагирала. Теорията на струните оставала на границата на оцеляването.
Това обаче не спряло Шварц. Само един учен поискал да се присъедини към неговото търсене и той бил готов да рискува кариерата си заради тайнствените струни. Това бил Майкъл Грийн.
Какви са основанията да се смята, че гравитацията се подчинява на законите на квантовата механика? За откриването на тези „основания“ през 2011 година е връчена Нобелова награда за физика. То се състояло в това, че разширението на Вселената не се забавя, както се смятало, а обратно – ускорява се.
Това ускорение се обяснява с действието на „антигравитация“, която по някакъв начин е присъща на празното пространство на космическия вакуум. От друга страна, на квантово ниво нищо абсолютно „празно“ не може да има – във вакуума постоянно възникват и по същия начин изчезват субатомни частици.
Такова „мигане“ на частици, както се смята, е отговорно за съществуването на „антигравитационната“ тъмна енергия, която изпълва празното пространство.
Навремето именно Алберт Айнщайн, който до края на живота си така и не приел парадоксалните принципи на квантовата механика (която той сам предсказал), предположил съществуването на тази форма на енергия.
Следвайки традициите на класическата гръцка философия на Аристотел с нейната вяра във вечността на света, Айнщайн отказвал да повярва в това, което предсказвала собствената му теория, а именно това, че Вселената има начало.
За да „увековечи“ света, Айнщайн дори въвел в своята теория космологична константа и така описал енергията на празното пространство. За щастие след няколко години станало ясно, че Вселената далеч не е застинала форма, че тя се разширява. Тогава Айнщайн се отказал от космологичната константа, наричайки я „най-голямата грешка“ в своя живот.
Днес на науката е известно – тъмната енергия все пак съществува, макар плътността ѝ да е много по-малка от тази, която е предполагал Айнщайн (проблемът за плътността на тъмната енергия е една от най-големите загадки и за съвременната физика!.
Но колкото и малка да е стойността на космологичната константа, тя е напълно достатъчна да се убедим в това, че квантовите ефекти в гравитацията съществуват.
Субатомните матрьошки
Независимо от всичко в началото на 80-те години теорията на струните все още имала неразрешими противоречия, наричани аномалии в науката. Шварц и Грийн се захванали с тяхното отстраняване. И усилията им не отишли напразно – учените успели да отстранят някои противоречия на теорията.
Какво било изумлението на двамата, които вече били свикнали теорията им да се пропуска покрай ушите на учените, когато реакцията на научната общественост взривила научния свят.
За по-малко от година броят на струнните теоретици скочил до сто души. Именно тогава теорията на струните получила титлата Теория на всичко. Новата теория, изглежда, била способна да опише всички съставки на Вселената. И ето тези съставки.
Всеки атом, както е известно, се състои от още по-малки частици – електрони, които кръжат около ядрото, състоящо се от протони и неутрони. Протоните и неутроните на свой ред се състоят от още по-малки частици – кварки. Но теорията на струните твърди, че нещата не приключват с кварките.
Кварките се състоят от мънички огъващи се нишки енергия, които напомнят струни. Всяка от тези струни е невъобразимо малка. Толкова малка, че ако атомът се увеличи до размерите на Слънчевата система, струната би била с размер на дърво.
По същия начин, както различните колебания на струните на виолончелото създават това, което чуваме като различни музикални ноти, различните начини на вибрации на струните придават на частиците уникалните им свойства – маса, заряд и прочие.
Знаете ли, условно казано, с какво се отличават протоните на върха на вашия нокът от още неоткрития гравитон? Само от набора струни, които ги съставят, и начина, по който тези струни се колебаят.
Разбира се, всичко това е повече от удивително. Още от времената на Древна Гърция физиците са свикнали, че всичко в този свят се състои от нещо от рода на топки, малки частици. И ето, неуспели да привикнат към алогичното поведение на тези топки, произтичащо от квантовата механика, им се предлага да оставят парадигмата и да оперират с един вид остатъци от спагети.
Петото измерение
Макар много учени да наричат теорията на струните триумф на математиката, някои проблеми в нея все още остават – преди всичко липсата на каквато и било възможност в близко време тя да се провери експериментално.
Нито един инструмент в света не може „да види“ струните. Затова някои учени дори си задават въпроса – теорията на струните дали е физична теория, или философия. Но и виждането на струните далеч не е задължително. За доказателство на теорията се изисква по-скоро друго – това, което звучи като научна фантастика – потвърждение за съществуването на допълнителни измерения на пространството.
За какво става дума? Всички ние сме свикнали с три измерения на пространството и с едно времево. Но теорията на струните предсказва наличието на други – допълнителни – измерения. Да започнем поред.
Всъщност идеята за съществуването на други измерения е възникнала преди почти сто години. Тя хрумнала на почти неизвестния на никого тогава немски математик Теодор Калуца през 1919 година. Той допуснал възможността за наличие в нашата Вселена на още едно измерение, което ние не виждаме.
Айнщайн разбрал за тази идея и отначало тя много му харесала. По-късно обаче се усъмнил в нейната правилност и задържал публикацията на Калуца с цели две години. В крайна сметка статията все пак била публикувана, а допълнителното измерение станало своеобразно увлечение на гения на физиката.
Както е известно, Айнщайн показал, че гравитацията не нищо друго освен деформация на тъканта на пространство-времето. Калуца допускал, че електромагнетизмът също може да е гънка. Защо обаче ние не я наблюдаваме? Калуца намерил отговор на този въпрос – гънката на електромагнетизма може да съществува в допълнително, скрито измерение. Но къде е то?
Отговор на този въпрос дал шведският физик Оскар Клейн, който предположил, че петото измерение на Калуца е свито милиарди пъти по-силно от размерите на един атом, затова не можем да го видим. Идеята за съществуването на това миниатюрно измерение, което се намира навсякъде около нас, лежи в теорията на струните.
Десетте измерения
Всъщност уравненията на теорията на струните изискват даже не едно, а шест допълнителни измерения (с известните ни четири се получават десет). Всички те имат доста завъртяна и изкривена сложна форма. И всички са изключително малки.
По какъв начин тези миниатюрни измерения могат да оказват влияние на нашия голям свят? Според теорията на струните – решаващо: за нея всичко се определя от формата.
Когато натискате разни клавиши на саксофона, получавате различни звуци. Това се случва, защото при натискане не един или друг клавиш или тяхната комбинация вие променяте формата на пространството в музикалния инструмент, където циркулира въздух. Благодарение на това се раждат различните звуци.
Теорията на струните смята, че допълнителното изкривените и завъртени измерения на пространството се проявяват по подобен начин. Формите на тези допълнителни измерения са сложни и разнообразни и всяко кара да вибрира струната, намираща се вътре в такива измерения, по различен начин именно благодарение на своите форми.
Как е устроен светът?
Науката днес познава няколко фундаментални константи на Вселената. Именно те определят свойствата и характеристиките на всичко около нас. Сред тези константи са например зарядът на електрона, гравитационната константа, скоростта на светлината във вакуум… И ако ние изменим тези числа дори незначително, последствията ще бъдат катастрофални.
Да предположим, че сме увеличили силата на електромагнитното взаимодействие. Какво би се случило? Изведнъж можем да открием, че йоните са започнали по-силно да се отблъскват един от друг и термоядреният синтез, който кара звездите да светят и излъчват топлина, изведнъж е „аварирал“. Всички звезди ще угаснат.
Какво общо има тук теорията на струните с нейните допълнителни измерения? Според нея именно допълнителните измерения определят точните стойности на физичните константи. Едни форми на измеренията карат една струна да вибрира по определен начин, и пораждат това, което виждаме като фотон.
В други форми струните вибрират по друг начин и пораждат електрон. Наистина Бог се крие в детайлите – именно тези мънички форми определят всички основополагащи константи на този свят.
Теорията на суперструните
В средата на 80-те години теорията на струните придобила величествен и строен вид, но в този монумент царял хаос. Само за няколко години възникнали цели пет версии на теорията на струните. И макар всяка от тях да е построена на струни и допълнителни измерения (всичките пет версии са обединени в обща теория на суперструните), в детайли тези версии се разминавали значително.
Така в едни версии струните имали отворени краища, в други напомняли пръстен. А в няколко варианта на теорията дори се изисквали не 10, а цели 26 измерения. Парадоксът е в това, че всички пет версии днес може да се нарекат еднакво верни.
Но коя от тях действително описва нашата Вселена? Това е поредната загадка на теорията на струните. Именно затова много физици отново махнали с ръка на „шантавата“ теория.
Но най-главният проблем на струните, както вече беше казано, е в невъзможността (или поне засега) да се докаже наличието им по експериментален път.
Някои учени обаче все пак вярват, че на следващо поколение ускорители има минимална, но все пак възможност да се провери хипотезата за допълнителните измерения. Макар повечето, разбира се, да смятат, че дори това да е възможно, то няма да се случи скоро – минимум след десетилетия, дори стотици години.
