Теория струн на пальцах (4 фото)

Единственная проблема — принять эту теорию как физическую, она слишком математична. Почему?

Потому что появлением своим обязана одной простой функции — бета-функции Эйлера на самом деле, не такой сложной, как с первого взгляда кажется. Эту функцию изучают в курсе математического анализа.

Так почему же именно эта функция явилась началом такой большой и запутанной теории?

Теория струн на пальцах (4 фото)
бета-функция Эйлера (График бета-функции при вещественных аргументах)

В 1968 году молодой итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано пытался описать, как взаимодействуют между собой частицы атомного ядра: протоны и нейтроны. У ученого появилась блестящая догадка. Он понял, что все многочисленные свойства частиц в атоме может описать одна математическая формула (бета-функция Эйлера). Она была придумана двести лет назад швейцарским математиком Леонардом Эйлером и описывала интегралы в математическом анализе.

Венециано использовал ее в своих расчетах, но не понимал, почему она работает в этой области физики. Физический смысл формулы смогли раскрыть в 1970 году американские ученые Йоиширо Намбу, Леонард Сасскинд, а также их датский коллега Хольгер Нильсен. Они предположили, что элементарные частицы — маленькие колеблющиеся одномерные струны, микроскопические нити энергии. Если эти струны являются такими крохотными, рассуждали исследователи, то они по-прежнему будут выглядеть как точечные частицы и, следовательно, не будут влиять на результаты экспериментов. Так и появилась теория струн.

С давних пор философы спорят о том, есть ли у Вселенной определённое происхождение или она существовала всегда. Общая теория относительности подразумевает конечность «жизни» Вселенной — расширяющаяся Вселенная должна была возникнуть в результате Большого взрыва.

Однако, в самом начале Большого взрыва теория относительности не действовала, поскольку все происходившие в тот момент процессы носили квантовый характер. В теории струн, которая претендует на звание квантовой теории гравитации, вводится новая фундаментальная физическая постоянная — минимальный квант длины (т.е. наименьшая длина по сути). В результате старый сценарий Вселенной, рождённой в Большом взрыве, становится несостоятельным.

Пространство на квантовом уровне
Пространство на квантовом уровне

Струны – это самые маленькие объекты во Вселенной.Размер струн сопоставим с планковской длиной (10^ –33 см). Согласно теории струн, это минимальная длина, которую может иметь объект во Вселенной.

Большой взрыв всё же имел место, но плотность материи в тот момент не была бесконечной, а Вселенная, возможно, существовала и до него. Симметрия теории струн предполагает, что у времени нет ни начала, ни конца. Вселенная могла возникнуть почти пустой и сформироваться к моменту Большого взрыва или пройти несколько циклов гибели и возрождения. В любом случае эпоха до Большого взрыва оказала огромное влияние на современный космос.

В нашей расширяющейся Вселенной галактики разбегаются, словно рассеивающаяся толпа. Они удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними: галактики, разделённые 500 млн. световых лет, разбегаются вдвое быстрее, чем галактики, разнесённые на 250 млн. световых лет. Таким образом, все наблюдаемые нами галактики должны были в момент Большого взрыва одновременно стартовать из одного и того же места. Это справедливо даже в том случае, если космическое расширение проходит периоды ускорения и замедления. На диаграммах пространства и времени галактики перемещаются по извилистым путям в наблюдаемую часть пространства и из неё (жёлтый клин). Однако пока точно неизвестно, что же происходило в тот момент, когда галактики (или их предшественники) начали разлетаться.

История Вселенной
История Вселенной

В стандартной модели с Большим взрывом (на рисунке слева), основанной на общей теории относительности, расстояние между любыми двумя галактиками в определённый момент нашего прошлого равнялось нулю. До этого момента время не имеет смысла.

А в моделях, учитывающих квантовые эффекты (на рисунке справа), в момент старта любые две галактики были разделены некоторым минимальным расстоянием. Такие сценарии не исключают возможности существования Вселенной до Большого взрыва