Брайън Гриин за струнната теория

През 1919 г. един фактически неизвестен немски математик на име Теодор Калуца предложил дръзка и, в известен смисъл, ексцентрична идея. Той изказал предположението, че нашата Вселена може да има повече от трите измерения, които ние познаваме. В добавка към ляво - дясно, напред - назад и горе - долу Калуца допуснал, че може да има допълнителни измерения на пространството, които по някаква причина ние все още не виждаме. Когато някой предлага дръзка и ексцентрична идея, се случва тя да остане такава - дръзка и ексцентрична, без да има нищо общо със света около нас. Но тази точно идея... въпреки, че не знаем все още, дали е вярна или грешна... към края ще разкажа за експериментите, които в следващите няколко години могат да отговорят на този въпрос... тази идея е променила съществено физиката през миналия век и продължава да оказва влияние на водещите изследвания в съвремието.

Така, че бих желал да ви разкажа нещичко за историята с тези допълнителни измерения. И така, да започваме. Като начало трябва да се върнем малко назад, в 1907 г. Това е годината, в която Айнщайн се къпе в славата на откривател на специалната теория на относителността и решава да се захване с нов проект - да опита да разбере изцяло великата, проникваща сила на гравитацията. По това време много хора смятат, че този въпрос вече е разрешен. Нютон бил дал на света теорията на гравитацията в края на 17 век и тази теория работела чудесно, описвала движението на планетите, движението на Луната и т.н., движението на легендарната ябълка, падаща от дървото, и удряща го по главата... Всички тези явления биват описвани точно от закона на Нютон.

Но Айнщайн разбирал, че има нещо извън рамките на тази история, защото даже Нютон писал, че макар да знае как да изчисли действието на силата на притегляне, не разбира как всъщност тя работи. Как от 150 милиона километра Слънцето някак влияе на движението на Земята? Как Слънцето може да прилага сила през празното, пасивно пространство? И това била задачата, която Айнщайн поставил пред себе си - да разбере как работи гравитацията. Нека ви покажа какво успял да открие. И така, Айнщайн открил, че средата, пренасяща гравитацията е самото пространство. Идеята може да се онагледи така: Представете си пространството като някакъв субстрат (материал).

Айнщайн изказал предположението, че пространството е плоско, при условие, че в него няма никаква материя. но ако има такава, например Слънцето, тя деформира, изкривява структурата на пространството. И самото това изкривяване е причината за гравитацията. Даже Земята изкривява пространството около себе си. Сега да погледнем Луната. Според тези идеи Луната остава на орбита поради това, че тя се върти в легена на изкривеното пространство, който Слънцето, Земята и Луната създават със самото си присъствие. Да погледнем цялата картина. Земята остава на орбита, тъй като се търкаля по долина, получена от присъствието на Слънцето. Ето това е идеята, за начина по който гравитацията работи.

Тествана е през 1919 г. с астрономически наблюденя. Наистина работи. Описва експерименталните данни. Това печели световна известност на Айнщайн. Последното накарало Калуца да се замисли. Той, както и Айнщайн, бил в търсене на така наречената Единна теория на полето. Това е една теория която може да опише всички сили в природата с един набор идеи, с един набор от принципи, дори с едно общо уравнение. Така че Калуца си казал: Айнщайн можа да опише гравитацията с помощта на деформации и изкривявания в пространството... по-точно в пространството и времето. Може би аз ще мога да изиграя същата игра с другата позната сила, (известна по онова време като електромагнитна). Днес ние знаем и други, но тогава тя била единствената друга, позната на хората. Знаете, силата отговорна за електрическото и магнитното привличане.

Та, Калица си казал: Може би ще мога да изиграя същата игра и опиша електромагнитната сила с езика на деформациите и изкривяванията. Това повдигнало въпроса: деформации и изкривявания на кое? Айнщайн вече оползотворил времевите и пространствените изкривявания, за описание на гравитацията. Изглежда нямало друго за деформиране или изкривяване. Калуца си казал: Е, може би пространството има повече измерения. Казал: Ако искам да опиша още една сила, май ще имам нужда от още едно измерение. И си представил, че пространството има 4, а не 3 измерения, и, че електромагнетизмът представлява деформации и изкривявания в това четвърто измерение. Ето какво станало: Когато написал уравненията, описващи деформации и изкривявания във вселена с 4 измерения, а не с 3, се получили същите уравнения на Айнщайн в триизмерно пространство за гравитацията, но заради допълнителното измерение, се появило още едно уравнение. И когато се вгледал в него, установил, че това не е нищо друго, а отдавна известното уравнение, описващо електромагнетизма. Удивително, то само се пръкнало. Той бил толкова развълнуван от откритието си, че започнал да тича около дома си, крещейки "Победа!" - сметнал, че е открил Единната теория за полето.

Явно Калуца бил човек, който вземал теорията много на сериозно. Той, фактически... Разказват, че когато решил да се научи да плува, четял от учебник - един трактат за плуването... (смях) ... и се гмуркал в океана. Това е човек, който би рискувал живота си, следвайки теорията. Но за тези от нас, които са малко по-практично мислещи, възникват веднага два въпроса от неговото наблюдение. Първи: Ако има повече измерения в пространството, къде са те? Ние изглежда не ги виждаме. И втори: Работи ли тази теория наистина в детайли, когато опитате да я приложите към света около нас? На първия въпрос е отговорено през 1926 г. от човек на име Оскар Клайн. Той предположил, че измеренията може да са два вида - от една страна - големи, които се виждат лесно, и от друга - малки, свити, които, макар да са навсякъде около нас, са толкова дребни, че не ги виждаме.

Нека да ви покажа това визуално. Представете си, че гледате към стоманено въже, поддържащо уличен светофар. Някъде в Манхатън. За да сме точни - в Сентрал парк. За отдалечения наблюдател, въжето е едномерно, но ние с вас знаем, че то има някаква дебелина. Отдалеч е трудно да я забележим, но ако се приближим и погледнем с очите, примерно, на мравка, пълзяща по въжето... Мравките са толкова малки, че всички измерения са им достъпни: това по дължина на въжето, но и това около него. Впрочем, надявам се ще оцените нашите усилия. Отне ни толкова време, да накараме мравките да правят това...

(смях)

Но примерът илюстрира факта, че измеренията могат да са два вида: големи и малки. И идеята, че може би големите измерения около нас са тези, които лесно виждаме, но е възможно да има и допълнителни, свити измерения, подобни на обиколката на въжето, толкова малки, че досега са останали невидими. Нека ви покажа как би изглеждало това. Ако погледнем, примерно, към самото пространство - аз мога да ви покажа, разбира се, само две измерения на екрана. Някой от вас, хора, ще оправи това някой ден, Всичко, което не лежи в равнината е едно ново измерение. Детайлите стават все по-малки и малки, и някъде долу в микроскопичните дълбините на пространството - това е идеята - може да съществуват допълнителни, свити измерения.

Ето тези измерения във форма на кръг - толкова малки, че не ги виждаме. Но ако бяхте една ултрамикроскопична мравка, разхождаща се наоколо, бихте могли да ходите не само по големите измерения, за които знаем всичко - тези, показани като квадратна мрежа - но и да имате достъп до тъничките свити измерения, които са толкова малки, че не може да се видят с невъоръжено око, пък и с най-усъвършенстваното оборудване. Скрити дълбоко във фибрите на самото пространство, може да има повече измерения, неизвестни досега. Ето това е едно обяснение, за това как Вселената би могла да има повече измерения от онези, които виждаме. А какво да кажем по втория въпрос, който ви зададох: работи ли теорията в действителност когато опитате да я приложите към реалния свят?

Е, оказва се, че Айнщайн и Калуца, пък и много други, опитвали да прецизират тази рамка и да я приложат към физиката на Вселената както е била разбирана по това време и в детайлите тя не проработила. Примерно, теоритично изчислената маса на електрона не съответства на действителността. Толкова много хора работили по въпроса, но към 40-те и със сигурност към 50-те тази странна, но непреодолима идея - да се унифицират законите на физиката - замряла. Докато нещо чудесно не се случи в наше време. В нашата ера един нов подход на унифициране законите на физиката е преследван от физици като мен и много други по света. Нарича се Суперструнна теория, както вече сте забелязали. Чудесното нещо е, че тази суперструнна теория няма нищо общо на пръв поглед с тази идея за допълнителни измерения, но когато я изучаваме, откриваме, че тя съживява идеята в искрящо нова форма.

Нека ви кажа как става това. Суперструнна теория? Какво е това? Е, това е теория, опитваща да отговори на въпроса: Кoи са основните, фундаментални, неделими, неразложими елементарни частици, които изграждат всичко в света край нас? Идеята е тази: Представете си, че гледаме един обикновен предмет, например свещник със свещ. Да предположим, че се опитваме да разберем от какво се състои. За целта се отправяме на пътешествие в недрата на обекта, за да определим съставките му. Някъде много навътре, на достатъчна дълбочина, знаем, ще видим атоми. Знаем също така, че с тях историята не свършва. Те имат малки електрони, скупчени около ядро от неутрони и протони. Даже неутроните и протоните имат малки частици в себе си, известни като кварки. Тук традиционните идеи спират.

Ето я новата идея на струнната теория. Дълбоко вътре във всяка от тези частици има нещо друго. Това друго нещо е тази танцуваща нишка от енергия. Тя прилича на вибрираща струна - ето откъде идва идеята за струнната теория. И точно както струните на едно виолончело могат да вибрират по различен модел, тези също могат да вибрират по различен начин. Но те не произвеждат различни музикални ноти. По-скоро произвеждат различните частици, образуващи света около нас. Така че ако тези идеи са верни, ултрамикроскопичният пейзаж на Вселената трябва да изглежда така. Той е построен от огромен брой такива малки тънки нишки вибрираща енергия, вибриращи с различни честоти. Различните честоти произвежда различните частици. Различните частици са отговорни за цялото това богатство в света около нас.

И ето я унификацията, понеже частиците материя, електрони и кварки, радиационни частици, фотони, гравитони, са изцяло изградени от еднa субстанция. По такъв начин цялата материя и силите на природата са събрани под рубриката на вибриращи струни. И това е, което ние имаме предвид под единна теория. Сега, ето я уловката. Когато изучавате математиката на струнната теория, откривате, че тя не работи в една вселена, която има само три измерения на пространството. Тя не работи и във вселена с четири измерения на пространството, и с пет и с шест. Накрая, изучавайки уравненията, може да покажете, че тя работи само във вселена, която има десет измерения на пространството и едно на времето. Това ни връща обратно към идеята на Калуца и Клайн - че нашият свят, когато е описан по подходящ начин има повече измерения от тези, които виждаме.

Сега, вие, мислейки по въпроса може да кажете: ОК, ако има допълнителни измерения, и те са наистина стегнато свити, може би няма да ги виждаме, ако са твърде малки. Но ако има малка тънка цивилизация от зелени човечета, крачещи там долу, и ги направим достатъчно малки, няма да виждаме и тях - това би могло да е истина. Това още едно предсказание на струнната теория ли е? Не, струнната теория не предсказва това.

(смях)

Но тогава възниква въпросът: Не се ли опитваме просто да укрием тези извънредни измерения, или те ни казват нещо за света? В оставащото време, бих искал да ви разкажа за две техни особености. Първата е: много от нас вярват, че тези допълнителни измерения държат отговора на може би най-дълбокия въпрос в теоритичната физика и теоритичната наука. И този въпрос е: Гледайки света наоколо, както учените го правят през последните сто години, установяваме, че има около 20 числа, които наистина описват Вселената. Това са физичните константи, сред които: масата на частиците, като електрони и кварки; гравитационната константа; коефициента на електромагнитна сила... Списък от около 20 числа, измерени с невероятна точност, но без някой да има обяснение, защо тези константи имат конкретната притежавана стойност.

Дали струнната теория предлага отговор? Все още не. Но ние вярваме, че отговорът на този въпрос, за специфичните стойности на физическите константи може да зависи от формата на допълнителните измерения. И чудесното е, че ако стойностите на тези константи бяха различни от известните - Вселената, каквато я познаваме, не би съществувала. Това е дълбок въпрос. Защо тези константи са толкова точно настроени да позволяват на звездите да светят и планетите да се образуват, когато признаваме, че най-малко бъзикане с тях... Например, ако имам 20 потенциометъра и ви позволя да настройвате с тях константите, почти всяко врътване ще прави Вселената да изчезва. Така, че можем ли да обясним тези 20 числа? Струнната теория подсказва, че те имат общо с допълнителните измерения. Нека ви покажа как. Когато говорим за допълнителни измерения в струнната теория, нямаме предвид едно единствено, както в старите идеи на Калуца и Клайн. Ето какво казва струнната теория за допълнителните измерения. Те имат много богата, преплитаща се геометрия.

Това е един пример на нещо, познато като пространство на Калаби-Яу - името не е толкова важно. Но както забелязвате, допълнителните измерения се увиват в себе си и преплитат в една доста интересна форма, интересна структура. И идеята е, че ако това е видът на допълнителните измерения, то микроскопичният пейзаж на нашата Вселена при максимално увеличение, би изглеждал така. Когато махнете с ръка, вие ще се движите около тези допълнителни измерения отново и отново, но те са толкова малки, че вие не го забелязвате. И така, каква е физическата връзка с онези 20 числа?

Помислете върху това: Ако погледнете този музикален инструмент (валдхорн), ще забележите, че вибрациите на въздушните потоци зависят от формата на инструмента. В струнната теория, всички числа са отражения на начина, по който струните могат да вибрират. Точно както онези въздушни потоци зависят от усукванията и извивките на инструмента, самите струни ще бъдат повлияни от вибрационните модели в геометрията в която се движат. Така че нека вмъкнем няколко струни в тази история. И ако виждате тези малки симпатяги да вибрират наоколо - те ще бъдат там, след секунда... точно там, обърнете внимание, че начина по който вибрират е повлиян от геометрията на допълнителните измерения.

Ако знаехме точно как изглеждат допълнителните измерения - още не знаем, но ако... щяхме да можем да изчислим позволените ноти, позволените вибрационни модели. А ако можехме да ги изчислим тях, щяхме да можем да изчислим онези 20 числа. И ако отговорът, получен от изчисленията съвпадне със стойностите им, определени с детайлни и прецизни експерименти, това би бил първото фундаментално обяснение на това, защо структурата на Вселената е такава, каквато е. Втората особеност, с която искам да приключа е: Как бихме могли да тестваме допълнителните измерения по-директно? Дали това е само една интересна математическа структура, която би могла да обясни някои необяснени досега характеристики на света, или бихме могли в действителност да тестваме допълнителните измерения? Ние смятаме - и това, според мен, е много вълнуващо - че през следващите 5-6 години може би ще сме в състояние да тестваме за наличието на тези допълнителни измерения.

Ето как ще стане. В ЦЕРН, Женева, Швейцария, се строи инсталация, наречена Голям адронен колайдер. Това е установка, която ще изпраща частици по тунел в насрещни посоки, при скорост близка до светлинната. В даден момент частиците ще бъдат насочени една в друга, за да се получи челен сблъсък. Надеждата е, ако сблъсъкът е с достатъчна енергия, да изхвърли някои от отломките от нашите измерения, и да ги прати в други. Как ще го разберем? Ами, ще измерим количеството енергия след сблъсъка, ще я сравним с тази от преди него и ако тя е по-малка след сблъсъка това ще е доказателство, че енергията е изтекла някъде. И ако това изтичане стане по теоритично предсказания сценарии - това ще е доказателство за съществуването на допълнителни измерения.

Нека ви покажа идеята визуално. Представете си, че имаме един точно определен вид частица, наречена гравитон - това е онзи вид отломък, който очакваме да бъде изхвърлен ако допълнителните измерения съществуват. Ето как ще протече експериментът. Вземате тези частици. Сблъсквате ги една в друга... Сблъсквате ги една в друга и ако сме прави, част от енергията на този сблъсък ще отиде в отломки, които отлитат в тези допълнителни измерения. Та, това е експериментът, който ще наблюдаваме в следващите пет, седем до 10 години или там някъде. И ако този експеримент даде плод, ако видим този вид частица изхвърлена т.е. ако забележим, че има по-малко енергия в нашите измерения отколкото преди да започнем, това ще показва, че допълнителните измерения са реални.

За мен това е една наистина забележителна история, и една забележителна възможност. Да се върънем назад към Нютон с неговото абсолютно пространство - той не осигури нищо друго освен една арена, една сцена, на която се случват събитията на Вселената. Дойде Айнщайн и съобщи: Е, пространството и времето могат да се деформират и изкривяват, това е то гравитацията. А сега струнната теория идва и казва: Да, гравитацията, квантовата механика, електромагнетизмът - всички заедно в един пакет, но само ако Вселената има повече измерения от тези, които виждаме. И този експеримент може да тества съществуването им още през нашия живот. Удивителна възможност. Благодаря ви!

(аплодисменти)