В поисках ответов на фундаментальные вопросы мироздания современная физика все чаще обращается к концепциям, которые кажутся научной фантастикой. В новом выпуске StarTalk Нил Деграсс Тайсон и его соведущий Джордан Клеппер обсуждают теорию струн, многомерность пространства и тайны квантовой гравитации с Ларой Андерсон, физиком-теоретиком и профессором Политехнического университета Виргинии (Virginia Tech).
🧩 Наследие бозона Хиггса и физика за пределами стандартов 4:50
Открытие бозона Хиггса стало триумфом теоретической физики, подтвердив предсказания, сделанные за 50 лет до экспериментального обнаружения частицы . Лара Андерсон отмечает, что на сегодняшний день открытие «тщательно подтверждено», а роль бозона в наделении других частиц массой не вызывает сомнений у научного сообщества . Однако главная интрига современности заключается в том, что скрывается за пределами этой частицы.
Ученые надеются обнаружить «новую физику» на более высоких энергетических уровнях. Андерсон использует аналогию с разрешающей способностью: чтобы увидеть структуру атомов, нужны рентгеновские лучи с короткой длиной волны . Для исследования еще более мелких масштабов — кварков и того, что может стоять за ними — требуются колоссальные энергии. Большой адронный коллайдер (LHC) работает на энергиях до 13 ТэВ (тераэлектронвольт), что позволяет изучать объекты на расстоянии порядка $10^{-19}$ метров, но физики стремятся заглянуть еще глубже .
🎸 Теория струн: почему 40 лет поисков не дали финала? 9:31
Нил Деграсс Тайсон задает острый вопрос: если Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности за 10 лет в одиночку, почему целое сообщество струнных теоретиков не может завершить свою работу уже четыре десятилетия?
Лара Андерсон приводит несколько аргументов в защиту своей области:
- Сложность задачи: Теория струн пытается объединить все силы и частицы природы, создав единую теорию квантовой гравитации. Это принципиально более сложный уровень, чем описание гравитации в макромасштабах .
- Проблема данных: У Эйнштейна было огромное количество данных о планетах и звездах для проверки теории. Струнная теория оперирует масштабами, которые крайне сложно проверить экспериментально .
- Консистентность: Андерсон утверждает, что теория струн уже доказала свою состоятельность как математически непротиворечивая модель квантовой гравитации, что само по себе является огромным достижением .
По мнению гостьи, прогресс идет, и даже если теория струн окажется неверной для нашей Вселенной, она дает бесценные инструменты для понимания того, как в принципе может работать квантовая гравитация .
🧶 Что такое струна и как она вибрирует? 13:31
Вопреки распространенному представлению, струна в физике — это не просто линия. Андерсон объясняет, что при движении во времени одномерная струна описывает двумерную поверхность, называемую «мировой лист» (world sheet) .
- Измерения: Хотя струна одномерна, она движется в многомерном пространстве. Ее вибрации зависят от геометрии этих измерений .
- Мембраны (Браны): В теорию также входят объекты других размерностей — мембраны, на которых могут закрепляться концы струн .
- Замкнутые и разомкнутые струны: Струны могут существовать в виде отрезков (разомкнутые) или петель (замкнутые). Тип струны определяет набор возможных вибраций, подобно тому как длина скрипичной струны определяет ее звучание .
🌌 Черные дыры как окна в высшие измерения 21:15
Один из слушателей предположил, что объекты из высших измерений, пересекающие наше пространство, могут выглядеть как черные дыры. Андерсон подтверждает, что математически это возможно . В общей относительности черные дыры описываются через сингулярности (разрывы в ткани пространства-времени). Однако наличие дополнительных измерений может «сглаживать» эти сингулярности .
Аналогия от Лары Андерсон: если на листе бумаги пересекаются две линии, точка их пересечения является сингулярностью для плоского мира. Но если добавить третье измерение и развести линии по высоте, пересечение (и сингулярность) исчезнет, а линии останутся гладкими .
📏 Куда уходит гравитация: проблема слабых сил 24:55
Гравитация — самая слабая из фундаментальных сил. Тайсон приводит пример: если убрать электроны из одного кубического сантиметра вещества на вершине ракеты и поместить их на стартовую площадку, сила электрического притяжения будет настолько велика, что ракета не сможет взлететь, несмотря на всю массу Земли, тянущую ее вниз .
Теоретики полагают, что гравитация кажется слабой, потому что она «просачивается» в дополнительные измерения, в то время как другие силы (например, электромагнетизм) заперты в нашей трехмерной «бране» . Это также порождает гипотезу о том, что темная материя может быть обычной материей, находящейся в соседней параллельной вселенной, чье гравитационное влияние мы ощущаем сквозь измерения .
🔟 Магическое число десять 31:09
Почему именно 10 измерений? Лара Андерсон объясняет это необходимостью избавления от «квантовых аномалий» .
- В классической физике действуют законы сохранения (например, заряда).
- В квантовом мире из-за неопределенности эти законы могут нарушаться, создавая аномалии, которые делают теорию математически бессмысленной.
- Физики обнаружили, что в теории струн все эти аномалии чудесным образом взаимно уничтожаются только в том случае, если пространство-время имеет ровно 10 измерений (или 11 в М-теории) .
🕰 Природа времени и голографическая Вселенная 40:13
В завершение беседы участники обсудили две радикальные концепции:
- Голография: Идея о том, что вся информация о нашей 3D-вселенной может быть закодирована на ее 2D-границе (подобно голограмме на кредитной карте) . Существует целое направление — «небесная голография», изучающее, как гравитация кодируется на бесконечной границе пространства .
- Время: Если во Вселенной ничего не меняется и не повторяется, время становится неизмеримым . Тайсон подчеркивает, что измерение времени неразрывно связано с повторяющимися явлениями (вращение Земли, вибрация атомов) .
На вопрос о том, являются ли измерения реальными физическими объектами, Лара Андерсон отвечает, что большинство наших описаний (включая понятие «силы») — это лишь концептуальные конструкты . Однако это крайне полезные инструменты, позволяющие нам предсказывать поведение Вселенной, даже если мы «пунктирно» воспринимаем лишь тени более сложной реальности .
