Неожиданное открытие совершила команда британских физиков. Согласно их модели, теория струн может напрямую прогнозировать поведение сцепленных квантовых частиц. А поскольку новую гипотезу можно протестировать в лабораторных условиях, это значит, что и теория, прозванная «непроверяемой», может наконец лишиться такого печального статуса.
Всю последнюю четверть века теория струн (ТС), она же на разных этапах развития и обобщения – теория суперструн и М-теория, набирала популярность как в обществе физиков, так и среди неспециалистов.
С самого начала ТС привлекала сторонников относительно гармоничным соединением известных сведений о невероятно малых частицах с моделями космологических процессов. Понемногу она становилась самым весомым кандидатом на роль «теории всего».
За время развития теории сами струны практически утратили свой изначальный облик. Сейчас они уже не одномерные, а одиннадцатимерные объекты (10 пространственных измерений и время). Двумерные же струны в свёрнутом состоянии могли бы выглядеть так (иллюстрация University of California San Diego).
Увы, несмотря на множество написанных книг, до сих пор никто не поставил ни единого опыта, который прямо доказал бы состоятельность ТС. В отличие, кстати, от теории относительности или квантовой механики. Таким образом, теория струн по сей день остаётся, по сути, чисто умозрительной конструкцией.
Изменить ситуацию намерены Майкл Дафф (Michael Duff) и его команда из Имперского колледжа в Лондоне. Работа британцев, опубликованная 2 сентября в журнале Physical Review Letters (PDF-документ), в случае успеха призвана дать ТС колоссальный толчок.
Для проверки теории Дафф предлагает использовать хрестоматийный эффект квантовой сцепленности частиц. Несмотря на кажущуюся странность, явление квантовой запутанности не подлежит сомнению, так как оно тысячи раз было проверено экспериментально.
Закольцованные струны в теории взаимодействуют и сливаются примерно таким образом (иллюстрация Indian Academy of Science).
В систему сцепленных частиц теоретически можно включать большее их количество, хотя, разумеется, с каждой новой частицей сложность расчётов взаимного их влияния возрастает едва ли не по экспоненте.
На текущий момент взаимодействие трёх запутанных частиц существует лишь на бумаге (хотя недавно появились первые экспериментальные ласточки вроде фотонов-тройняшек). Для представления таких объектов применяются квантово-механические формулы, которые, как однажды заметил Дафф, сильно напоминают математическое описание чёрных дыр определённого класса, причём сделанное именно в рамках ТС.
Параллель может показаться надуманной, однако, по мнению британских физиков, она вполне позволяет, основываясь на соответствующих уравнениях ТС, вначале рассчитать поведение связанных квантовых частиц (в статье предлагается довести их количество до четырёх, чего раньше никому не удавалось даже в теории) и затем поставить опыт по измерению их параметров.
Далее отважных экспериментаторов ждёт поистине драматический момент: они должны будут сравнить предсказания ТС с практическими результатами и, возможно, объявить о первом экспериментальном подтверждении того, что суперструнная модель действует.
Тут стоит сделать небольшое отступление и пояснить, что хотя чаще всего в просторечии используется именно термин «теория струн», с 1995 года по умолчанию под этими словами стоит понимать М-теорию.
В истории теории условно выделяются три этапа. Первый длился примерно с 1968 по 1984 год, а открыл его Габриэле Венициано (Gabriele Veneziano), который с помощью определённого математического аппарата описал частицы — переносчики сильного взаимодействия. Чуть позже Йотиро Намбу (Yoichiro Nambu) предложил физическую интерпретацию модели Венециано.
Описание Намбу, если в двух словах, лишает упомянутые переносчики статуса точечных объектов, в которых «сосредоточены» все их физические характеристики. Японец предполагает, что на самом деле эти элементарные частицы – пространственно протяжённые одномерные объекты, находящиеся в состоянии устойчивого колебания.
Несмотря на то что такое представление было революционным для физики микромира, научное сообщество достаточно быстро охладело к новой теории, так как выяснило, что она входит в противоречие с экспериментально проверенной и более «надёжной» квантовой механикой.
За широкую популяризацию ТС человечеству стоило бы поставить памятник профессору Колумбийского университета (Columbia University) Брайану Грину (Brian Greene). Его вышедшая в 1999 году книга «Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории» стала бестселлером и получилаПулитцеровскую премию. Труд учёного лёг в основу научно-популярного мини-сериала с самим автором в роли ведущего – его фрагмент можно увидеть в конце материала (фото Amy Sussman/Columbia University).
Ситуацию спасла «первая струнная революция», открывшая второй этап развития теории – с 1984 по 1995 год. Основные достижения здесь связаны с именами Джона Шварца (John Schwarz) и новой фигуры – молодого гения Брайана Грина. Учёные в своих построениях сумели не только избежать противоречий между теорией струн и квантовой теорией, но и обобщить «струнный» подход на все известные к тому моменту типы частиц и поля.
Тогда же теорию струн экстренно преобразовали в теорию суперструн в связи с формированием теории суперсимметриймежду частицами вещества и поля.
Третья же фаза истории ТС («вторая струнная революция») длится до сих пор, а началась она с 1995 года, когда Эдвард Виттен (Edward Witten) рассмотрел сложившиеся к тому времени пять различных вариантов теории струн (суперструн) как общность, названную М-теорией.
Вариантов расшифровки заглавной буквы любителями предлагалось множество, вплоть до остроумного варианта «мистическая». Однако наиболее близкий к реальности вариант – всё-таки мембранная теория.
Целью нынешнего исследования было не на бумаге, как это сделали Шварц и Грин, а на опыте доказать, что М-теория не противоречит квантовой механике. И хотя никто не ожидал столь спонтанного открытия возможной прямой корреляции ТС и явления квантовой сцепленности, британцы готовы с радостью ухватиться за эту соломинку и наконец-то проверить различные физические предсказания, сделанные на основе струнной теории.
Любопытно, что момент рождения новой гипотезы о связи ТС и квантовой запутанности чем-то напоминает историю с яблоком Ньютона. По словам Даффа, когда его осенило, он сидел на конференции в Тасмании и внимал презентации своего коллеги – тот представлял математическую формулу, описывающую квантовую сцепленность.
«И тут меня осенило – представленная формула была очень похожа на ту, что я разработал несколько лет назад для описания чёрных дыр „с точки зрения“ ТС, – вспоминает Майкл. – Вернувшись в Великобританию, я проверил мои записи и убедился в сходстве математик из таких разных с виду областей».
"Хотя положительный результат эксперимента и не уравняет теорию струн с «теорией всего», он будет очень важным шагом для теоретиков ", – осторожно комментирует Майкл Дафф в пресс-релизе колледжа (фото Imperial College London).
Неспециалисту может показаться невероятным, что с помощью теории, изначально разработанной для описания эволюции и строения Вселенной, можно прогнозировать поведение квантовых систем. Однако авторы окончательной версии ТС на какое-то такое «чудо» и надеялись. И вот оно явлено – осталось лишь научиться создавать «четверные» сцепленные частицы.
«Проверочный эксперимент может рассказать нам нечто очень глубокое и фундаментальное о мире, в котором мы живём. С другой стороны, всё это может оказаться лишь загадочным совпадением», – очень сдержанно заключает Дафф.
Как извесно самой большой проблемой теории всего или суперструн называемой также в частном, но наиболее общем случае М-теорией, является ее экспериментальная ненаблюдаемость, связанная с избыточной геометрической мерностью пространства рассматриваемой в теории. Фактически эта избыточная мерность связана с отказом от
представления о точечных частицах, используемого в обычной квантовой механике. С одной стороны в теории всего вся современная физика якобы нашла свое обьяснение, что явно вызывает сомнения, а с другой стороны эта всеобьемлющая теория не только не представима в реальном мире, но и вообще в силу своей геометрии оказывается с
ним совершенно несовместимой. Такое положение вещей означает альтернативу: либо теория суперструн есть нонсенс не имеющий к реальному миру никакого отношения и должна быть отброшена, как явно ошибочное и тупиковое направление, либо проблема состоит в том, что требуется просто найти или развить адекватное реальному миру
представление для теории суперструн. Собственно вопрос сводится к тому, чтобы дать новым искуственным геометрическим размерностям пространства в М-теории наглядное и реальное представление. Таким образом главная проблема теории суперструн сводится фактически к нахождению адекватного физического смысла 10 мерного или даже
12 мерного геометрического пространства в теории суперструн.
Другими словами есть предположение, что если теория суперструн верна, то просто еe многомерное геометрическое пространство на самом деле имеет совершенно иной физический смысл, и при переходе к реальному миру его размерности должны иметь уже не чисто геометрический смысл, а быть некими физическими размерностями нашего мира.
Итак в М-теории используется 12мерная модель нашего мира. С другой стороны в моей теории бесконечномерности вселенной материальная точка также 12мерна Tm={R,V,A,t,m,q}. Если бы удалось найти соответствие между координатами суперструн и координатми материальной точки, тогда можно было бы свести всю теорию суперструн к частному случаю моей теории бесконеномерности Вселенной. В этом случае теория суперструн с одной стороны получила бы наконец столь долгожданное и необходимое для нее соответствие реальности, а моя теория стала бы в полной мере тем, чем она и есть — теорией всего. Но к «сожалению» в этом случае придется отправить в корзину всю
теорию относительности от начала до конца.
Вероятностная концепция многомерной материальной точки.
Известно, что плотностью вероятности может быть в частности дельта-функция Дирака FD(Xm-x)=limFe(Xm-x) при стремлении параметра e->0 к нулю, Fe(Xm-x) некоторая финитная функция почти всюду равная нулю и стремящая к бесконечности в точке x=Xm. Можно также ввести понятие размазанной дельта-функции Дирака Dex(XM-x)=Fex(XM-x),
которая равна заданной функции Fe при некотором достаточно малом, но отличном от нуля значеии параметра e=ex.
Примерами таких размазанных дельта-функций Дирака могут например быть волновые функции для электронов в атоме, полученные в качестве решенией уравнения Шредингера и тд. В этом случае можно представить вероятностное или волновое представление многомерной материальной точки Tm={R,V,A,t,m,q} в виде многомерной размазанной дельта-функции Дирака FDm=Der(Rm-R)*Dev(Vm-V)*Dea(Am-A)*Det(Tm-t)*Dem(M-m)*Deq(Qm-q). Вполне естественно, что в общем случае вероятностная функция распределения многомерной материальной точки в общем случае может
быть решением некоторого многомерного уравнения в частных производных. Совершенно естественно, что для такой многомерной вероятностной концепции материальной точки легко может быть введено понятие спина для нее или для точечной элементарной частицы. В этом случае становится совершенно понятен смысл представления материальной точки или элементарной частицы в виде некоей многомерной оболочки (браны или суперструны) над многомерным
пространством координат многомерной материальной точки которая в тоже время вполне естественно и представима в нашем терхмерном пространстве как трехмерная проекция многомерного образа точки в трехмерное эвклидово пространство. По всей видимости мат. аппарат теории суперструн и основан на подобных многомерных уравнениях в
частных производных. Но к сожалению многомерные метрические пространства лежащие в основе теории суперструн не имеют практически никакого отношения к реальным координатам многомерной материальной точки, вследствие чего она и не имеет реальной практической интерпретации в нашей действительности.
Как я начинаю представлять себе теорию суперструн, то это не совсем удачная попытка глобального развития квантовой механики. Но на этот раз математика настолько оторвалась от реальности и здравого смысла, что перестала с ней коммутировать. Теперь задача видимо состоит в том, чтобы сделать то, что в свое время было так трудно сделать в отношении квантовой механики — Необходимо создать адекватное реальности соответствие между внутренним миром теории суперструн и нашим миром. Но на этот раз видимо будет большая абструкция сначала теории суперструн, а затем и нашим повседневным представлениям о нашем мире.
