Достойная заявка на «теорию всего»: почему теория струн провалилась
Существующая более полувека теория на самом деле столкнулась с массой проблем, а на смену ей пришли более изящные квантовые теории.
Как и большинство революций, теория струн имела скромное происхождение. Она зародилась в 1960-х годах как попытка понять работу сильного ядерного взаимодействия, которое было обнаружено совсем недавно. Квантовая теория поля, которая успешно использовалась для объяснения электромагнетизма и слабого ядерного взаимодействия, не подходила, поэтому физики стремились к чему-то новому.
Группа физиков взяла математическую технику, разработанную (и позже заброшенную) крестным отцом квантовой физики Вернером Гейзенбергом, и расширила ее. В этом расширении они обнаружили первые струны — математические структуры, которые повторялись в пространстве-времени. К сожалению, эта теория протострун делала неправильные предсказания о природе сильного взаимодействия, а также имела множество неприятных артефактов (например, существование тахионов - частиц, которые движутся быстрее света). Как только была разработана другая теория для объяснения сильного взаимодействия — та, которую мы используем сегодня, основанная на кварках и глюонах, — теория струн исчезла со сцены.
В 1970-х годах физики обнаружили несколько замечательных свойств теории струн. Во-первых, теория может поддерживать больше сил, чем просто сильное ядерное взаимодействие. Струны в теории струн имели огромное натяжение, заставляя их сворачиваться в минимально возможный объем, что-то около планковской длины. Оказавшись на месте, струны могут поддерживать различные вибрации, как натянутая гитарная струна. Разные вибрации привели к разным проявлениям сил: одна нота для сильного ядерного, другая для электромагнетизма и так далее.
Падение теории струн
В конце 1970-х годов теория струн потенциально могла объяснить все частицы и все взаимодействия между ними и обеспечить квантовое решение проблемы гравитации. Но тут все пошло прахом.
Одна из самых больших проблем этой теории была связана с тем, как струны взаимодействуют друг с другом. Главная проблема заключается в бесконечном разнообразии способов взаимодействия частиц. Достаточно легко записать фундаментальные управляющие уравнения, описывающие взаимодействие, но математика имеет тенденцию вести себя не так, как мы предполагаем. В теории струн фундаментальные частицы вообще не являются частицами - это крошечные петли вибрации... струны. Например, когда мы видим, как две частицы отскакивают друг от друга, на самом деле это две струны, которые на короткое время сливаются, а затем разделяются. Звучит супер круто, но есть еще бесконечное количество способов, которыми может развиваться этот процесс.
В отличие от квантовых теорий, у теории струн нет фундаментальных основ — есть только набор методов приближения и возмущения. Мы не совсем уверены, верны ли наши приближения или мы далеки от истины. У нас есть методы возмущения, но мы не уверены, от чего мы возмущаемся. Другими словами, нет такой вещи, как теория струн, просто приближение того, чем, как мы надеемся, может быть теорией струн.
Вторая серьезная трудность связана с вибрациями самих струн. На раннем этапе физики поняли, что струны должны вибрировать более чем в трех измерениях пространства, если они хотят объяснить все разнообразие сил и частиц во Вселенной. 3D было слишком ограниченным, поэтому физики расширили ее до 26 измерений, но после суперсимметрии и некоторых сокращений теоретики смогли уменьшить это число до «всего» 10.
Итак, Вселенная не имеет 10 пространственных измерений, по крайней мере, в больших масштабах, потому что мы бы их уже заметили. Таким образом, все дополнительные измерения должны быть крошечными и свернутыми сами в себя. Когда вы машете рукой перед собой, вы бесчисленное количество раз пересекаете эти крошечные измерения, но они настолько малы (обычно в масштабе Планка), что вы их не замечаете. Однако, проверить эти тезисы мы сегодня просто не можем — способности вычислительных приборов этого не позволяют.