В течении двух месяцев, с февраля по март 2020 года, главная надежда теоретической физики последних 40 лет - теория струн или М-теория получила два ощутимых удара со стороны экспериментальной физики. Две совершенно не связанные друг с другом научно-исследовательские группы заявили о том, что полученные экспериментальные данные противоречат предсказаниям теории.
Почему это так важно?
Что-бы осознать что такое теория струн для современной физики, нужно напомнить себе что послужило причиной ее появления и какие надежды были на нее возложены.
Все что мы знаем о мире вокруг нас
На рубеже конца девятнадцатого и первой половины двадцатого века человечество создало то, что можно назвать основной базой современной научной картины мира. В основе этой парадигмы лежит теория относительности Эйнштейна (общая и специальная - ОТО и СТО) и квантовая механика в изложении Стандартной модели. Строго говоря, теория относительности появилась еще вначале двадцатого века, а теоретическая конструкция физики элементарных частиц, названная Стандартной моделью, была окончательно сформирована только в 80-х годах 20 века. Конечно на наше представление о мире оказала влияние давно известная и проверенная механика Ньютона, но в современных условиях, она превратилась в приближение или частный случай для малых скоростей и относительно крупных (не квантовых) объектов.
Таким образом, за сравнительно короткое время, у нас появилась картина того, как устроена наша Вселенная на макро и микро уровне. Пользуясь этим рывком в фундаментальной науке, человечество сумело быстро создать целый пакет новых технологий (от мобильных телефонов и компьютеров, до спутников и атомной бомбы), которые стали во многом определять наш современный образ жизни. В итоге, людей на планете стало в несколько раз больше, а качество жизни улучшилось.
Но обнаружилась одна очень серьезная проблема
Квантовая механика совершенно не объединяется с ОТО (общей теорией относительности). Две важнейшие для нашего мировосприятия теории не дружат друг с другом. При этом, противоречия настолько глубокие, что автор теории относительности и человек сыгравший важную роль в зарождении квантовой механики А. Эйнштейн после знаменитого Сольвеевского конгресса в Брюсселе сказал: " Чем большим успехом квантовая теория пользуется, тем глупее она выглядит".
В то время как теория относительности создавалась на принципах однозначной предсказуемости и устойчивой физической закономерности, квантовая физика двигалась в прямо противоположном направлении. Корпускулярно - волновой дуализм, соотношение неопределенности и другие новые понятия, описывающие вероятностный характер событий, превращали квантовую физику в мир неопределенности и вероятности, где не существует не-только причинности, но и объективной реальности. Квантовая физика устами своих основателей утверждала, что миром правят неопределенность и вероятность.
Раскол углублялся
Оказалось что квантовая механика не в состоянии описать важнейшее фундаментальное взаимодействие - гравитацию, а ОТО никак не помагает ответить на вопрос, чем-же по сути является наше пространство с точки зрения квантовой физики. Мы не только не знаем, что конкретно представляют из себя элементарные частицы, но и не можем ответить на простой вопрос о том дискретно или непрерывно наше пространство. После многих лет бесплодных дискуссий в 1926 году Эйнштейн сказал Максу Бору дословно следующее: " Квантовая механика конечно достойна всяческого уважения. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не окончательное решение. Теория хоть и дает многое, но не приближает нас к настоящему раскрытию тайн Старого Господина (Бога)."
Попытки все исправить
Учитывая тот факт, что обе теории имеют огромное значение для нашей научной картины, ученые потратили огромное количество времени, сил и ресурсов на поиск путей объединения и создание единой теории получившей условное название - теория всего. Эта новая универсальная теория должна была не только объединить ОТО и квантовую механику, но и объяснить существование фундаментальных физических констант. По сути, без такой теории ни ОТО ни квантовая механика не могут считаться законченными теориями, а значить в какой-то момент могут быть отвергнуты или преобразованы чем-то совершенно новым, что по праву станет называться "новой физикой".
Главная надежда
Первые попытки соединить две теории в одну концепцию были предприняты еще в первой половине 20 века в рамках создания теории квантовой гравитации. Практически сразу выяснилось, что исходные теории не просто имеют отличия, а опираются на противоположные наборы принципов. В то время как квантовая механика описывает эволюцию атомов и элементарных частиц на фоне внешнего пространства времени, ОТО утверждает что такого пространства вообще не существует. Вместо этого, как говорит общая теория относительности само пространство время это динамическая переменная которая зависит от характеристик находящихся в нем классических систем (атомов и элементарных частиц).
Сначала, физики попытались квантовать само пространство время, тем самым открыв дорогу для квантвой гравитации, но так как физический смысл такого квантования совершенно неясен, создать что либо непротиворечивое и способное опереться на экспериментальную составляющую так и не удалось.
В последующем, большинство усилий было направлено на создание различных вариантов теории струн и петлевой квантовой гравитации. Если последняя пыталась создать концепцию дискретных частей пространства, называя такие фрагменты преонами, что по сути было продолжением попыток разделить (квантовать) пространство время, то первая (теория струн) пошла дальше и попыталась изменить саму мерность нашего пространства.
В середине 80-х на основе теории струн и суперсимметрии появилось пять различных теорий суперструн, и это научное направление стало главной надеждой целого поколения физиков на рубеже 20-21 века. Возникшая в начале 70-х квантовая теория струн основана на гипотезе о том, что элементарные частицы и их взаимодействия это колебания ультамикроскопических структур - струн, которые в физическом смысле представляют из себя одномерные протяженные объекты. Все это оказалось возможно, лишь в пространствах с большей мерностью (26 или 10 измерений), а то что в макроскопическом мире дополнительные измерения не наблюдаются, стали объяснять при помощи двух механизмов компактификации (свертывания или локализации). Первый механизм предполагает скручивание дополнительных измерений до размера планковской длины, а второй локализацию всех частиц многомерной Вселенной на листе (бране) представляющей из себя наблюдаемую нами трехмерную Вселенную.
Две революции
Несмотря на то, что ни один из вариантов теории струн не дает возможности провести так называемый критический эксперимент (эксперимент результат которого однозначно определяет является ли конкретная гипотеза или теория верной), популярность этой концепции выросла настолько, что можно говорить о двух революция, или волнах популярности этой теории.
Сначала в середине 80-х физики предположили что теория струн могла-бы описать все элементарные частицы в рамках теории объединения (теории всего) и этот период мы называем первая струнная революция. Потом, в середине 90-х в начале 2000-х была обнаружена особая закономерность (дуальность), которая указывала на то, что различные суперструнные теории в действительности представляют из себя предельные случаи одной 11-мерной теории названной М-теория. Это событие ознаменовало начало второй суперструнной революции.
М - теория
Несмотря на то, что автор этого названия американский физик-теоретик Эдвард Виттен не объяснял что значит М, многие считают что это обозначает матричная или мембранная теория, которая утверждает что видимый макромир со всеми его атомами и элементарными частицами развернут на бране из 3 измерений + время, а остальные измерения находятся во внешней зоне (за пределом нашей браны). Единственная возможность обнаружить присутствие дополнительных измерений существует при помощи гравитации, которая будучи результатом искривления пространства-времени не локализована на бране и в результате должна приводить к небольшим отклонениям силы гравитации на особо малых расстояниях.
А что в действительности?
Сначала проблемы появились у теории петлевой квантовой гравитации. В 2011 году при изучении гамма-всплесков источника GRB 041219A зарегистрированных европейским космическим телескопом Integral выяснилось, что у пространства нет никакой зернистости вплоть до размеров в сотни тысяч раз меньше планковской длинны, что прямо противоречит основному предположению теории петлевой квантовой гравитации.
Потом, под удары попала суперсимметрия (удвоение существующего числа элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров с другим спином). При этом, суперсимметрия остается обязательным условием существования большинства моделей теории струн.
В 2011 году серия экспериментов на БАК (Большой адронный коллайдер), которая должна была проверить фундаментальные выводы теории суперсимметрии, не подтвердила как основные положения этой теории так и ее упрощенную версию.
К концу 2012 года на детекторе LHCd все того-же БАК, была накоплена статистика распада В-мезона, которая оказалась в рамках Стандартной модели и тем самым опровергала расширение предполагаемое суперсимметрией.
В 2013 году результаты проверки электрического дипольного момента электрона не подтвердили суперсиметричные предположения. В том-же году появилось много критиков суперсимметрии. Советско-американский физик Михаил Шифман прямо сказал тогда, что суперсимметрия бесперспективна и от нее надо отказаться, чтоб новое поколение физиков-теоретиков не стало очередным потерянным поколением.
В 2015 году две коллаборации LHCd и CMS при анализе распада странного В-мезона опять не нашли доказательств суперсимметрии.
Как говориться в русской поговорке: "пришла беда - отворяй ворота". Проблемы М -теории не ограничились экспериментальными противоречиями связанными с суперсимметрией.
Прямые удары по М-теории
В феврале 2020 года команда астрофизиков Кембриджского университета (руководитель Кристофер Рейнольдс) опубликовала статью о попытках обнаружить аксионы - гипотетические частицы сверхнизкой массы предсказываемые многими моделями теории струн. При помощи обсерватории Чандра исследовали активное ядро галактики NGK 1275. Несмотря на идеальные условия (в этом конкретном случае) для преобразования фотонов в акисоны или аксионоподобные частицы, ничего подобного в реальности обнаружить не удалось.
10 марта 2020 года команда профессора Вашингтонского университета Эрика Эдельбергера опубликовала результаты исследования гравитации на дистанциях менее 50 микрометров. Несмотря на основательную подготовку (для этих опытов несколько лет строили и дорабатывали специальную установку), никаких следов свернутых измерений обнаружить не удалось. Оказалось что даже на таких малых масштабах гравитация меняется в строгом согласии с законом обратных квадратов, как и при измерениях с крупномасштабными космическими объектами.
Подведем итоги
Для того чтобы объединить квантовую механику и ОТО нужна новая теория всего. Главным кандидатом считается теория струн или ее более новая версия М-теория. В современной формулировке М-теория это матричная теория с 11 измерениями. Эта теория предполагает компактификацию и суперсимметрию, но эксперименты последних лет (упомянутые выше) прямо противоречат этим предположениям.
Выводы
Проблемы М-теории, как и общая проблема несогласованности ОТО и квантовой механики в целом, объясняются отсутствием новой идеи имеющей физический смысл. Вместо этого мы наблюдаем поиск возможных вариантов реальности, на основе математического формализма в форме новых моделей в алгебраической и дифференциальной геометрии и топологии. Это дает импульс развитию некоторых направлений теоретической физики, но по факту не имеет никакой связи с реальным физическим миром.
Новая теория, которая должна прийти на смену многообещающей но падающей на наших глазах М-теории, будет стоять на совершенно новых принципах и в противовес математическому формализму, изначально может быть сформулирована в виде логически непротиворечивой модели. Идея описывающая физический смысл новой конструкции мироустройства, которая позже будет представлена в виде количественной теории.
Новая космологическая модель или мультивселенная СТО
Скоростная или релятивистская теория мультивселенной, которая лежит в основе концепции Синтропизма, может стать подобной моделью.
Давайте обозначим основные принципы новой скоростной или релятивистская теории:
- Мультивселенная СТО это космологическая модель в которой каждое пространство-вселенная это узкий скоростной диапазон в рамках которого возможны известные нам фундаментальные взаимодействия. При этом, каждая из этих вселенных ограничена не геометрией, а количеством движения (для нашей Вселенной это скоростью света в вакууме). В этой модели релятивистская концепция СТО распространяется не просто на материальный объект в рамках системы координат, а и на само пространство в рамках общей системы пространств - скоростных уровней (мультивселенной). Фактически мы говорим о мультивселенной построенной на принципах СТО где наше трехмерное пространство получает статус локальной структуры, а мультивселенная статус системы отсчета.
- Скорость света в вакууме это не предельно возможная в природе скорость, а максимальная скорость для нашей конкретной Вселенной - нашего пространственно-скоростного уровня. Любой объект который будет двигаться выше скорости света не будет иметь возможность взаимодействовать с материей нашего пространства - скоростного уровня, а значить будет находиться в другом пространстве - скоростном диапазоне (другой вселенной). Скорость света становиться границей нашего пространства в модели мультивселенной СТО.
-Спин - осевое вращение атомов и элементарных частиц. Любой материальный объект, который мы можем наблюдать в нашей Вселенной состоит из элементарных частиц обладающих спином, который в новой концепции, представляет из себя осевое вращение. Таким образом вся наблюдаемая материя (все элементарные частицы) нашего пространства имеют определенное количество движения, в физическом смысле представляющее из себя осевое вращение.
-СТО - общий принцип для мультивселенной и одновременно частный случай для нашего пространства (нашей трехмерной Вселенной). Релятивизм это общий принцип для мультивселенной, а специальная теория относительности Эйнштейна это частный случай или приближение для нашей трехмерной Вселенной. В новой Скоростной или релятивистской теории, СТО описывает инерциальные системы внутри нашего скоростного диапазона - нашей Вселенной без каких-либо поправок относительно мультивселенной в целом.
-Квантовая механика будет дополнена и расширена в части описания элементарных частиц как материальных объектов существующих в зоне скоростной границы нашего пространства (нашей Вселенной). Не смотря на то, в какой координатной точке нашей Вселенной находиться элементарная частица, она в любом случае существует на границе пространства (нашего скоростного диапазона), благодаря скорости осевого вращения или спину как количеству движения. Пограничное положение в сочетании с колебаниями скорости осевого вращения-спина, является причиной существования корпускулярно волнового дуализма. Расширение волновой функции за пределы скоростной границы (скорости света в вакууме) позволит избавится от редукции фон-Неймана (коллапса волновой функции) заменив ее редукцией скорости осевого вращения.
-Соотношение неопределенности потеряет вероятностную составляющую при расширении описания волновой функции за границу пространства (скорость света в вакууме). Учет колебаний скорости осевого вращения элементарных частиц (оболочек), особенно в той части где скорость вращения выше скоростной границы пространства (скорости света в вакууме), позволит повысить предел точности одновременного определения пары характеризующих систему квантовых наблюдаемых.
-Гравитация это только инерция, которая возникает при контакте вращающихся внешних оболочек элементарных частиц нашей Вселенной. Это является результатом того, что поперечная скорость движения оболочек элементарных частиц выше скоростной границы нашего пространства (скорости света в вакууме). Если предположить, что оболочки контактируют на скоростях вращения выше скорости света, тогда гравитация это единственное из известных нам фундаментальных взаимодействий, которое фактически имеет внешние (по отношению к границе пространства) источники. Такими источниками являются расположенные за границей пространственных координат нашей Вселенной оболочки элементарных частиц. При этом данное внешнее взаимодействие связывает материальные объекты внутри нашей Вселенной (внутри нашего скоростного уровня). Фактически гравитация это инерция оболочек элементраных частиц.
Вместо эпилога
В 1944 году Эйнштейн в своем письме к Максу Борну написал: " Ты веришь в Бога который играет в кости, а я - в абсолютные законы и порядок в объективно существующем мире". Великий ученый верил в существование объективной реальности и несколько десятилетий пытался создать теорию всего способную это подтвердить.
Новая скоростная или релятивистская теория мультивселенной должна вернуть детерминированность и объективность в научную модель физического мира, расширить и углубить знания в области физики элементарных частиц, дать стимул и обозначить теоретические инструменты для развития новой физики в рамках мультивселенной.
Все это приведет к смене парадигм в духе коперниканской революции. Доминирующая сейчас модель Лямбда-CDM (современная стандартная космологическая модель) поменяется на модель мультивселенной СТО (скоростная или релятивистская модель мультивселенной).