Теория струн для чайников

Теория струн для чайников

Объяснять теорию струн простым языком все равно что играть в Dark Souls на банане. Но, раз это у кого-то все же получилось, пожалуй, я попробую. Не обещаю, что это будет краткий экскурс, потому что для того, чтобы разобраться в этом, пары слов будет недостаточно. Но я все же постараюсь объяснить это максимально доступно. Итак, начинаем: теория струн для чайников от такого же чайника.

Теория струн предполагает, что в нашей Вселенной существует гораздо больше измерений, чем четыре нам привычные: три пространственных плюс время.

Проблемы с объяснением этой теории возникают не только у обывателей, но и у ученых. Весьма сложно соединить все основы типа гравитации и магнитных полей в одно целое. Физики хотели получить единую Теорию Всего, и вывели теорию суперструн. А что дальше с ней делать, как это все объяснить, никто не знает.

Чтобы собрать этот пазл, оказалось мало четырех измерений. Поэтому теория суперструн предполагает, что их десять. И, если это вам кажется много, то дальнейшее развитие данной теории привело к появлению на свет M и F-теорий, подразумевающих 11 и 12 измерений соответственно. Почему так много? Потому что при меньшем количестве все математические измерения своими результатами уходят в бесконечность. 

Не стоит забывать, что все это лишь теория, существующая пока только в математических расчетах. Где же все остальные измерения, спросите вы? Говорят, что они находятся где-то в квантовом мире, заключенные в сфероподобные пространства Калаби-Яу. Внутри этих сфер находятся эдакие маленькие мирки с размерностью, которую нам не понять. Выглядит все это безобразие как-то так:

Теория струн для чайников

 

Но всей этой запары ученым было мало, и они придумали почти 500 миллионов (470) вариантов таких сфер. И сейчас они активно пытаются выяснить, какая же из них настоящая. Из выборки в 470 миллионов практически вымышленных объектов нужно найти одну, соответствующую нашей реальности. Это уже не DarkSouls на банане, это просто лютое безумие.

У меня нет ни желания, ни ученой степени, чтобы объяснять вам про бозоны, кварки и гравитоны. Думаю, вам это и не нужно – углубление в физику. У нас же все-таки теория струн для чайников. Поэтому пойдем более простым путем.

Суть теории струн

Чтобы объяснить суть теории струн, начнем с самого начала. А что у нас в начале? До всего этого десятка измерений, кое-что безразмерное, так называемое нулевое измерение. Конечно же, это точка. А у вас были другие варианты?

Теперь возьмем две точки и соединим как в начальных классах на математике. Что получилось? Правильно, отрезок. Он, в отличие от точки уже имеет одно измерение – длину. Однако ни ширины, ни высоты здесь по-прежнему нет. Двигаться в одномерном пространстве можно только вперед и назад. Никаких вверх-вниз, влево-вправо там и в помине нет. Если на вашем пути поставить какое-либо препятствие, вы в лепешку расшибетесь, но обогнуть его не сможете. Зато на такой линии уже можно определить нахождение объекта по одной координате.

Итак, представьте, что на отрезке все-таки возникло препятствие, как его обойти? Логично, что нужно добавить еще одно измерение, ибо в одном никак. Поэтому дорисовываем где-нибудь рядом с этой линией еще одну точку. Совместим ее с любой из двух других точек и получим двумерную систему координат. Теперь у нас есть два измерения – длина и ширина. Но для настоящего 3D-пространства нам все еще не хватает высоты.

Поэтому сейчас мы будем творить настоящую магию. Добавим еще одну точку и соединим ее с той, с которой соединяли предыдущую. Теперь мы можем двигаться как вперед и в сторону, так и вверх-вниз. Мы получили трехмерное пространство, в котором мы же с вами и живем. Ну и не забываем про время, конечно же.

Думаю, вы все уже задались вопросом: как это все вяжется с теорией струн? Скоро все поймете, мы же тут для чайников разжевываем, поэтому все по порядку.

Вам же понравилось рисовать? Поэтому давайте продолжим. Нарисуем двух человечков в двумерном пространстве. Назовем их Федор и Вадим. Мы с вами видим их такими:

Теория струн для чайников

Однако Федор и Вадим существуют в 2D-пространстве, поэтому они видят друг друга так:

Теория струн для чайников

А теперь нарисуем Федора сверху:

Теория струн для чайников

Как теперь Вадим будет видеть своего товарища? Вот так:

Теория струн для чайников

Из этого следует, что, как ни крути, эти ребята будут видеть друг друга как одномерные отрезки, но мы то с вами знаем, что оба они двумерны. Вы и так уже наверняка догадались, почему. Все из-за точки обзора. Мы с вами видим Федора как объект, имеющий длину и ширину, а Вадим недоумевает и говорит, что мы свихнулись, и перед нами простой отрезок с одним единственным измерением.

Тот факт, что Вадим живет на плоскости, попросту не позволяет ему даже представить, как по-настоящему выглядят объекты в его мире. И я уже не говорю о том, как сильно будет болеть его плоский мозг, пытаясь представить трехмерное изображение.

А сейчас попытайтесь представить, что в спокойную двуразмерную жизнь Федора и Вадима резко врывается некий 3D-объект, пересекающий их плоскость. Каким образом вы увидите это со стороны? Двумерные проекции сразу же изменятся и это будет похоже на брокколи в МРТ:

Теория струн для чайников

Что в этот момент будет с нашими героями? Сказать, что они очень удивятся такому развитию событий, ничего не сказать. Такого они даже представить себе не смогут. Для них везде начнут появляться отрезки, которые будут резко менять свою длину и положение. Вычислить длину или координаты этих объектов в двумерном мире будет просто невозможно.

Надеюсь, теперь вы немного въехали в то, что я пытаюсь вам здесь втереть. Мы живем в трехмерном мире и видим все объекты двумерными. Лишь тот факт, что они или мы перемещаемся в пространстве, позволяет нам говорить о том, что у всего есть объем. А теперь представьте, что в наш мир вторглось какое-то пятимерное существо.

Не ломайте голову, все равно у вас ничего не получится. Вы будете видеть его таким же двумерным, но с очень и очень странными свойствами. Потому что вместе с его перемещением в пространстве и времени вы не только обнаружите его объем, но и другие свойства, которые, плюс ко всему, будут постоянно меняться.

Сейчас вернемся к теории струн и попробуем вообразить себе объект, имеющий 10 измерений. Шучу, не будем мы это делать. Потому что, думаю, уже и так всем понятно, что это бессмысленно и бесполезно. Этот объект по сути должен существовать везде и нигде, всегда и никогда. Наш мозг попросту не способен этого представить.

Нечто подобное было описано в одном псевдонаучном фантастическом фильме под названием «Господин Никто». Там также затрагивается теория струн, и в очень киношной форме представляется то, каково это, жить сразу во всех десяти измерениях. В общем и целом, кино нудное, местами непонятное и не для всех. Но для базового, немного упрощенного и приукрашенного ознакомления с теорией струн сойдет.

Все же знакомы со схематическими изображениями, на которых массивные небесные тела искривляют пространство вокруг себя под действием гравитации? Так вот искривляется не только пространство, но и время. Это сильно влияет на то, как идет время в космосе, можете почитать. Но сейчас не об этом.

Теория струн для чайников

Сейчас вопрос стоит в том, куда именно гравитация искривляет пространство-время? Ответа на этот вопрос мы дать не можем, так как ни одним из существующих измерений описать этот процесс невозможно.

Время

С трехмерным пространством более ли менее разобрались, но не будем забывать и про время – четвертое измерение. Ведь нам же мало знать, «где». Для жизни в нашем мире обязательно нужно еще и «когда».

Так как время – это тоже координата, то всю временную линию можно описать как луч. Вспоминайте школьный курс математики, что такое луч? Это линия, имеющая начало, но не имеющая конца. Время движется только вперед, и никак иначе. Реально лишь настоящее, и ни будущего, ни прошлого по сути вообще не существует.

Однако теория относительности может с этим поспорить. Она говорит о том, что время – такое же измерение, как и остальные три. А значит, все, что было, есть и будет, одинаково реально. Все относительно и зависит лишь от нашего восприятия. С точки зрения времени, человечество выглядит как-то так:

Теория струн для чайников

Однако мы видим лишь определенную проекцию времени, небольшой его отрезок. И в каждый отдельный момент он будет различным. Чувствуете, где-то мы уже видели один и тот же объект по-разному в зависимости от его положения? То самое брокколи в МРТ.  

Даже теория струн придерживается того, что временное измерение только одно. Все остальные пространственные. Но почему пространство такое гибкое, а время лишь одно? Ответа на этот вопрос сейчас нет. Вы уже и сами поняли, как трудно представить несколько лишних пространственных измерений, поэтому даже подумать сложно, как могут ощущаться несколько временных. Некоторые ученые, как, например, Ицхак Барс, американский астрофизик, считают, что главной проблемой несостыковок в теории суперструн является как раз-таки игнорирование нескольких временных измерений. Давайте устроим себе разминку для ума и попробуем представить хотя бы два времени. После нескольких страниц мозговыносящего текста устраивать разминку для ума будет сложно, понимаю, но это интересно.

Оба временных измерения должны существовать отдельно друг от друга. Таким образом, если поменять положение объекта в одной из размерностей, его координаты в другой вполне могут остаться неизменными. То есть, если одно временное измерение пересечется с другим в определенной точке, то время в ней остановится вовсе. Наглядную картину этого показывает нам Нео из матрицы:

Теория струн для чайников

По сути наш избранный просто поставил временную ось своей ладони перпендикулярно такой же оси летящих пуль. И все, время остановилось. На деле же все не так просто.

Как вообще будет идти время в такой Вселенной? Исходя из логики, хотя, говоря о Теории Всего логику вообще лучше не упоминать, одно событие должно происходить два раза… одновременно… в разных точках пространства и времени… не пересекаясь… Да, это сложно. Вы все еще можете пойти поиграть в Dark Souls на банане. Если по-простому, то вы будете жить одновременно в двух отрезках времени (на этом строится вся суть фильма «Господин Никто», о котором я упоминал в начале).

Как вообще 2D-пространство отличается от одномерного? Вы уже знаете, мы говорили об этом чуть выше: возможностью обходить препятствия. В двумерном пространстве можно двигаться как вверх-вниз, так и вперед-назад, даже по диагонали. Представьте себе любую игру-платформер, как, например, Mario, и вспомните, в каких направлениях вы могли там двигаться. В одномерном же пространстве мы можем двигаться только вперед или назад.

Со временем все то же самое. Отличие одномерного времени от одномерного пространства лишь в том, что это луч, а не отрезок. И движется он только вперед, а значит назад во времени мы идти не можем. А что с двумерным временем? Не знаю, может вы можете представить, каково это, пересекать время по диагонали?

Струны

Если вы до сих пор это читаете, то наверняка уже много раз задавались вопросом, когда уже будет что-нибудь про струны. Хоть мое объяснение и для чайников, это все же объяснение. Просто рассказать, что такое струны, было бы неправильно, да и теория в основном базируется именно на измерениях. И, чтобы наконец добраться до струн, нам придется хотя бы попытаться представить эти измерения.

 О первых четырех вы уже имеете представление. Грубо говоря, первые три измерения, это некая точка в четвертом. А точка, как известно, измерений не имеет. То есть с точки зрения времени, вы и весь сегодняшний день – лишь точка на временном луче.

Что есть пятое измерение? Аналогично тому, как мы сворачиваем условно двумерный лист бумаги, чтобы придать ему объем (то есть третье измерение), нам придется «согнуть» четвертое, чтобы получить пятое. Да, нам нужно согнуть время, а вместе с ним, естественно и наше трехмерное пространство, ведь одно без другого никуда. Делаем мы это для того, чтобы свести две временные точки вместе. Путешествие во времени, скажете вы – пятое измерение, отвечу я. По сути мы просто помещаем наше одномерное время на двумерную временную плоскость.

Таким образом у нас получается два отрезка в пятом измерении, в которых живет наш избранный Нео. Об этом мы и говорили чуть выше, описывая двумерное время. Но как же нам перемещаться между этими отрезками, если мы живем в них одновременно? В пяти измерениях никак. Нужно снова согнуть нашу бумагу, чтобы отрезки соприкоснулись. Это шестое измерение. При этом все пять предыдущих измерений снова становятся лишь точкой в шестом. Если у вас еще не болит голова, идем дальше. Мы уже близко.

Возьмем несколько точек, существующих в шести измерениях, и сделаем из них прямую. Как вы уже догадались, это седьмое. По сути седьмое измерение – это набор параллельных Вселенных. Все они живут по разным законам, во всех их жизнь происходит по-разному. И та сущность, которая способна жить в семи измерениях, может существовать одновременно во всем этом многообразии миров.

Отобразим семимерную прямую на плоскости, получим восьмое измерение. А девятое содержит несколько таких плоскостей. Вот вы уже представили, какая вакханалия существует в семи измерениях. Теперь вообразите, что будет если такой мир, в котором множество миров, тоже не один. Это восьмое. А теперь возьмем всю эту матрешку, помножим бесконечность раз и получим девятое.

А теперь вообразите себе нечто, что существует во всех девяти измерениях одновременно. То есть девятимерные точки собираются в прямую, которая находится на какой-то плоскости – десятом измерении. И такие точки, состоящие из девяти измерений, образуют бесконечно длинную прямую, на бесконечно длинной плоскости. Эти линии тянутся в каждой точке пространства, в каждый момент времени во всех мирах. Начиная от Большого Взрыва, через время, через пространство, через все миры тянутся они – струны.