Это интересно: как объяснить теорию струн детям

Что такое теория струн?

Теория струн – одна из самых молодых теорий в современной теоретической физике. Но вот чтобы понять, зачем она нужна, нам придётся сперва отправиться на 2 с половиной тысячи лет назад, в Древнюю Грецию...

Из чего всё сделано?

Даже дети в детском саду знают, что стол сделан из дерева, кухонный ножик – из железа. Но из чего само дерево? Железо?

Мысль о том, что все вещи могут быть сделаны из чего-то одного и того же, впервые пришла в голову греческому философу Фалесу Милетскому. Наблюдая за тем, как жидкая вода, замерзая, превращается в твёрдый лёд, а выкипая – в пар, он пришёл к выводу, что «всё сущее состоит из воды». Деревья и камни, люди и животные, звёзды и облака – всё это разные формы воды; вода же является основным и главным веществом мироздания.

Нам такая теория кажется наивной и неправдоподобной, но для того времени она была весьма интересной. Ведь это была первая в мире «теория всего», пытающаяся объяснить свойства всего сущего в наблюдаемой Вселенной. В горящем костре дрова превращаются в пламя, а пламя – в дым, дым поднимается к небу, там образуются облака, из которых на Землю проливается дождь, и снова вырастает новое дерево... Наверное, Фалес рассуждал подобным образом, хотя наверняка мы этого не знаем.

Ученики и последователи Фалеса стали наперебой «дорабатывать» его теорию. Например, Анаксимен утверждал, что всё во Вселенной сделано не из воды, а из воздуха – даже камни и скалы есть «сильно сгущённый воздух».

Анаксимандр вместо воздуха и воды предложил существование некоего первоэлемента – «апейрона» (по-нашему – «эфира»), из которого, в свою очередь, образуются вода, воздух, огонь и так далее.

А Левкипп и Демокрит создали теорию, в которой всё в мире сделано из крохотных «кирпичиков» – по-гречески «неделимых», то есть «атомов»...

Атом, то есть неделимый

Конечно, атомы, которые работают в реакторах наших атомных электростанций, совсем не похожи на те атомы, которые придумали Демокрит с Левкиппом.

Древнегреческие атомы имели бесконечное количество форм: вода состояла из «атомов воды», огонь – из «атомов огня», дерево – из «атомов дерева» и так далее. Даже боги у Демокрита состояли из «божественных атомов», недоступных чувствам обычного человека...

И вот что важно (запомните это!) – очень долгое время (больше двух тысяч лет!) учёные не могли ни доказать, ни опровергнуть теорию Демокрита о существовании крохотных частиц, из которых состоит всё. Ну а как бы они могли это сделать? Разламывать предметы на мелкие кусочки? Раскрошить их молотком, а потом разглядывать в увеличительное стекло?

Ну, во-первых, молотком на атомы вы никакое вещество никогда не раскрошите, а во-вторых, атомы настолько малы, что увидеть их в обычный (световой) микроскоп (не говоря уже о лупе) невозможно!

В общем, идея-то сама по себе была ничего, почти правильная, но вот как её доказывать?

Что придумал Джон Дальтон

Впервые атомную теорию сумел доказать английский химик Джон Дальтон, и произошло это в самом начале XIXвека – в 1808 году. Только не подумайте, что Дальтон сумел разглядеть атомы – ни в коем случае! Увидеть атомы учёные смогли только в 1981 году, когда был изобретён так называемый сканирующий туннельный микроскоп – сложнейший физический прибор! Во времена Дальтона о таких даже не думали.

Как же тогда Дальтон смог доказать существование атомов? С помощью обыкновенной арифметики!

В начале XIX века химики уже знали о существовании некоторых простых веществ – например, водорода, углерода и кислорода. Знали они и о том, что эти простые вещества могут образовывать разные комбинации – например, из углерода и кислорода можно получить два разных вещества: углекислый газ (безвредный, тот самый, пузырьки которого играют в газировке) и угарный газ (очень ядовит, входит в состав выхлопных газов автомобиля). Теперь внимание…

Дальтон очень тщательно измерил, сколько вещества вступает в реакцию. Например, 100 граммов углерода могли взаимодействовать со 133 граммами кислорода, при этом образовывался угарный газ. А если те же 100 граммов углерода взаимодействуют с 266 граммами кислорода, получался углекислый газ. А числа 133 и 266 образуют простую дробь: 1/2.

Получается, что молекула угарного газа состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода, а молекула углекислого газа – из одного атома углерода и двух атомов кислорода, отсюда и дробь 1/2 в измерениях!

Из этого Дальтон сделал два вывода:

1. Всякое вещество состоит из отдельных очень малых атомов.

2. Атомы одного вещества одинаковы, неизменны и неделимы.

Элементарно, Ватсон!

Атом стал первой открытой химиками элементарной частицей. Слово «элементарный» здесь означает не «простой» (как во фразе «элементарно, Ватсон!»), а «базовый», «фундаментальный». Почти 100 лет атом считался учёными не только первой, но и единственной элементарной частицей – ведь, согласно Дальтону, атомы неделимы, правда? Но такая «теория всего» продержалась очень недолго...

А всё-таки он делится!

В конце XIX века физиками были открыты так называемые катодные лучи – невидимые глазу лучи, испускаемые положительным электродом внутри трубки, из которой выкачан воздух.

Лучи эти, в отличие от видимых лучей света или даже невидимых ультрафиолетовых лучей, были очень необычными – они реагировали на магнитное поле! Представьте себе луч от фонарика, к которому подносишь магнит – и он вдруг изменяет своё направление!

Над разгадкой природы катодных лучей физики бились 25 лет – пока наконец британец Джон Томпсон не пришёл к выводу, что катодные лучи состоят из невероятно маленьких и лёгких отрицательно заряженных (то есть, в смысле электричества, со знаком «минус») частиц.

Частицы эти были в 1840 раз легче атома водорода – и, по результатам опытов, каким-то образом были «упакованы» внутри атомов! Физики были в шоке. «Неделимый» атом вдруг оказался вполне себе делимым.

Опыты английского учёного Эрнеста Резерфорда вскоре доказали, что атом состоит из очень маленького положительно заряжённого ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны.

Водопад открытий

Электрон стал первой открытой физиками субатомной (то есть с размерами меньше атома) частицей.

Очень скоро физики поняли, что квант электромагнитного излучения (фотон) тоже является элементарной частицей. В 1919 году была открыта ещё одна элементарная частица – протон.

В 1930 физик-теоретик Вольфганг Паули предсказал существование ещё одной частицы – нейтрино.

В 1932 году был открыт нейтрон.

В 1935 году теоретиком Юкавой было предсказано существование нового класса элементарных частиц – мезонов...

Было от чего схватиться за голову – экспериментаторы обнаруживали всё новые и новые «кирпичики мироздания». Пи-мезоны, ка-мезоны, эта-нуль-мезоны, лямбда-гипероны, кси-гипероны, омега-минус-частица, тау-лептоны – всего было открыто больше 350 элементарных частиц! Караул! Кошмар! Куда это всё девать?

Кто такие кварки?

В 1964 году американский физик Мюррей Гелл-Манн предложил новую, необычную и весьма перспективную модель – он предположил, что тяжёлые частицы, такие как протон, нейтрон или пи-мезон, не являются элементарными, а состоят из совсем уже микро-микро-микрочастиц – кварков.

Название «кварк» он вычитал в романе «Поминки по Финнегану» ирландского писателя Джеймса Джойса; «кварк» – это что-то загадочное, необычное и необъяснимое.

Всего лишь с помощью шести кварков оказалось возможным описать всё разнообразие тяжёлых частиц – от протона до омега-минус-частицы.

С помощью кварков к началу 1980-х годов физики-теоретики смогли создать так называемую «стандартную модель», наиболее признанную на сегодняшний день. В «стандартной модели» всё разнообразие материи и энергии во Вселенной удалось свести всего лишь к 17 элементарным частицам: 6 кварков, 6 лептонов, 4 калибровочных бозона и 1 скалярный бозон. Это, конечно, не один неделимый атом, но и не «зоопарк» из 350 частиц.

Но вот беда – эта «стандартная модель» вообще никак не описывала гравитацию, то есть всемирное тяготение! Более того, она не позволяла объяснить феномены существования «тёмной энергии» и «тёмной материи» (о которой «Лучик» рассказывал в № 8 за 2017 год).

Получается, «стандартная модель» «тут работает, а тут не работает»! И что же делать?

И наконец струны

В 1968 году итальянский физик Габриэле Венециано обнаружил, что взаимодействия всех тяжёлых частиц можно описать математически как взаимодействие однородных объектов: бесконечно тонких колеблющихся струн.

Вспомните, как играют на гитаре – одна и та же струна может колебаться с разной частотой, создавая при этом разные ноты, верно?

«Струны» Венециано работали приблизительно так же: такие свойства элементарной частицы, как её электрический заряд или масса, могли описываться как различные колебания одной и той же «квантовой струны», а превращения одних частиц в другие – сменой характера колебаний. В результате стараниями Венециано и других физиков возникла полноценная теория струн – как замена несовершенной «стандартной модели».

Теория струн оказалась очень интересной и обладала множеством плюсов по сравнению со «стандартной моделью». В частности, она была настоящей «теорией всего», то есть позволяла описать как взаимодействие элементарных частиц, так и гравитацию. В теорию струн очень красиво и естественно укладывались практически все открытия, сделанные физиками в XX веке. Мир снова возвращался к первозданной простоте Демокрита и Дальтона, только вместо неделимых атомов он теперь состоял из крохотных бесконечно тонких колеблющихся «струн», замкнутых в кольцо или разорванных...

Однако пока теория струн не сумела заменить «стандартную модель», и вот почему. Во-первых, она даёт очень необычные предсказания – например, с точки зрения теории струн во Вселенной должен существовать тахион, частица, движущаяся быстрее скорости света.

Во-вторых, мы с вами живём в четырёхмерном пространстве-времени, а вот теория струн требует себе гораздо больше измерений: 10 и даже 26! Почему же все остальные измерения никак не наблюдаемы?

В-третьих, теория струн ещё слишком молода, и для неё не придумали «критического эксперимента» – то есть такого опыта, который мог бы однозначно опровергнуть эту теорию. Проще говоря, на текущий момент её очень трудно проверить.

Так что праздник на тему «Ура, мы наконец-то создали безукоризненно правильную теорию всего на свете!» в очередной раз откладывается...

https://zen.yandex.ru/media/lu...