Что такое теория струн? Квантовое представление струн.

Понятие струны в микромире появилось где-то в 1960 годы. До этого ученые работали с точечными объектами. Все частицы мира представлялись, как точки. Все было бы хорошо, если бы эти частицы вели себя по-человечески, так нет же. Их местоположение, энергия и все другие параметры непрерывно флуктуируют и изменяются. На этом упорно настаивает квантовая механика. Примерно так, как на рисунке 25а сверху.

Ну как можно работать с таким пространством, да еще в добавок и со временем? Такую какофонию ни один математический гений не сможет описать никакими формулами. А что-нибудь описать хочется. Да и сами точки описывались математикой не совсем удовлетворительно. Что такое точка? Никто этого не понимал, не понимает и понять не сможет. Она относительно хорошо вписывается в математические формулы, но к физике не имеет никакого отношения. Если точке придавали что-то физическое, например, объем, чтобы приблизиться к физике, то тогда математические формулы, какими бы мудрыми они не были, не работали. Они либо обнулялись по каким-то параметрам, либо лезли в бесконечность, либо противоречили и друг другу и сами себе и вообще получилась абракадабра.

Из-за этого бурлящего пространства возникала еще одна большущая проблема. Эйнштейн к этому времени создал свою общую теорию относительности (ОТО), описывающую гравитацию. Это мудрая формула, в которой все параметры меняются плавно, предсказуемо, безо всяких разрывов или каких-то не дифференцируемых всплесков, как в пространстве, так и во времени. По этому искривленному гладкому пространству и катаются все тела Вселенной. А теперь представьте катится по какому-то склону протон или электрон в место, определенное ОТО, и вдруг ни с того, ни с сего на его пути возникает какой-то энергетический или пространственный бугор, или яма, которые не известно сколько времени будут находится на пути следования объекта. И что, протон или электрон должны ожидать пока все здесь выровняется? Не хорошо все это. Не стыкуется квантовая механика и ОТО.

И вот мудрые головы решили – а давайте физическим объектам придадим не точечные формы, а линейные, тогда их будет проще описывать математикой. Назовем эти линейные элементы струнами. Почему именно струнами, а не отрезками? Надо было чтобы объекты как-то отличались друг от друга. Если струны будут отличаться только длиной, то это будет школьная математика, что не серьезно для взрослых дядь. А вот когда струна может колебаться с разной частотой и амплитудой, то из таких струн можно уже что-то строить. Математика в этом случае принимает серьезный вид.

Как не странно, но оказалось, что такая математическая формула, описывающая такие струны, уже есть. Это так называемая бета-функция Эйлера. Вот она:

А как разрешить проблему гладкости пространства-времени, когда точечные объекты заменим длинными объектами? Ведь из точечных объектов все-таки можно получить более гладкий рельеф, нежели из палок различной длины. Но математики умные люди, и они эту проблему начали решать такими способами.

Первое. Надо предположить, что в струнах возникают напряжения в миллиарды миллиардов тон, что эти напряжения стягивают струну почти в точку. Математических формул, описывающих громадные силы, создающих громаднейшие напряжения, довольно много. Это и формула гравитационного взаимодействия между двумя массами, и формула взаимодействия двух зарядов и, наверное, есть еще подобные формулы. В этих формулах в знаменателе стоит расстояние между взаимодействующими объектами. Устремляя расстояние к нулю, мы можем получить величину силы любой величины, практически до бесконечной. Но солидные ученые не рассматривают расстояний меньше планковских размеров. Кроме того, существует много расходящихся интегралов, которые ведут в бесконечности. Возможно, таким интегралом, при определенных условиях, может быть бета-функция Эйлера. Так что проблема больших напряжений в математике не стоит. А существуют ли такие напряжения в природе ученых не интересует.

Второе. Ученые предлагают описывать струны с большого расстояния. В этом случае даже продолговатые объекты будут казаться точечными. Эти кажущиеся, не существующие реально, объекты и предлагается описывать теории струн.

Появилось большое количество ученых, которые и решили строить математические конструкции теории струн.

В результате их упорных трудов появилось 5 теорий: type Ι, type ΙΙA, type ΙΙB, E8×E8 и SO(32). Рисунок 2. Казалось бы, как по одному и тому же явлению может быть 5 истин. Оказывается – может, так как каждая из теорий описывает не весь объект (струны), а только некоторую часть объекта, примерно, как 5 человек расположенных вокруг дома с каждой стороны, а один из них расположен над крышей дома, описывают то, что видят. Каждый из них описывает свою сторону и даже часть того, что он может видеть через окно в доме. Кроме того, некоторые могут еще описывать и часть крыши или если кто-то расположен ближе к углу, а не его стенка обладает каким-нибудь выступами в виде, например, эркеров или балконов, то он может описывать и часть второй стенки. То есть одна теория струн может частично совпадать с другой теорией струн. Это положение на рисунке 2 указано стрелочками.

Такое толкование различных видов теорий натолкнуло ученых на создание одной общей теории, которую они назвали М-theory (М-теорией). Правда пока в М-теорию (этот мифический дом) ученым не удается проникнуть, так как не хватает мощностей ускорителей. Не все струны мы можем рассмотреть. Естественно, по молчаливому мнению ученых, природа этих мощных струн настроила бесчисленное множество, ведь мы же живем в этой М-теории (практически она является теорией всего, в том числе и тяжелых элементов), но мы пока такие элементы генерировать не можем. Вот такая загогулина. Грустно и беспросветно это все.

О теории струн доступно и хорошо рассказал Брайан Грин в своей книге "Элегантная вселенная. Суперструны, Скрытые Размерности И Поиски Окончательной Теории”. Я прочел эту книгу и к некоторым ее положениям написал комментарии, которые изложил в разделе “Научные теории” в соответствующих статьях.

Так существуют ли физические струны в нашем мире объективно? Согласно квантовой теории физические объекты, обладающих длиной на много большей нежели их толщина, в природе существуют. Из этих объектов (струн), как и предсказывает теория струн, состоят все частицы физического мира. К сожалению, теория струн почти ничего не рассказывает о физической сущности этих струн. С величайшими трудностями теории удалось пробиться до многомерности струн. В начале струна была одномерной, затем струна получила объем и некоторые свойства. Спин, дробный заряд, суперпартнеры и другое. Но о том, из чего состоит струна, как она устроена, как из нее получаются частицы, сколько этих струн в природе, что может делать струна в природе, как струны взаимодействуют между собой и многое другое остается вне поля зрения теории струн.

Обо всем этом может рассказать квантовая теория, только это не квантовая теория поля или квантовая механика, или даже квантовая механика с теорией относительности, а та квантовая теория, которая опирается на квант энергии. Именно квантом энергии можно описать все сущее: построение вещества, всевозможные движения, взаимодействия между объектами и все другое вплоть до описания ощущения и сознания. И все эти явления опираются и подтверждаются физическими опытами Кулона, Фарадея, Кауфмана, Гальвани и так далее. Для других моделей квантовой теории, накопленные человечеством экспериментальные данные, как бы и вовсе не нужны. Нашли бета-функцию Эйлера, четвертое измерение Калуцы и теория струн уже готова.

Согласно квантовой теории струной (длинным объектом) в природе является фотон. Он состоит из квантов энергии, которые обладают свойством самостоятельного движения. Это диалектическое явление. Так поступила природа, создав объект в виде самодвижущегося кванта энергии. Как движется квант энергии можно прочесть в статье “Квант энергии, как устроен и как движется”. А так как каждый квант может двигаться самостоятельно, то и фотон, состоящий из цепочки таких квантов, может двигаться самостоятельно. Самодвижущийся квант энергии является основой буквально всех движений. Если бы не было такого кванта, то не было бы вообще никаких движений.

Когда фотон движется, то он имеет прямую форму. Он не может изгибаться (так индуцируются вихри). А когда фотон встречает частицу, например, электрон, то частица пытается поглотить этот фотон. Но в этом случае могут быть такие варианты: если фотон такой длины, что он может обвить частицу и замкнуться сам на себя, то он удержится на этой частице, то есть произойдет поглощение фотона. Такую пару фотон-электрон я называю резонансной. Если же фотон окажется больше или меньше резонансной длины, то такой фотон будет излучен в пространство. В этом случае он может изменить направление движения, что подтверждают опыты Комптона и Томпсона по рассеянию частиц. Такое явление называют ретрансляцией.

Как происходит процесс поглощения рассказано в статье об устройстве электрона. Поглощенный фотон действительно имеет форму похожую на волну или точнее на меха гармони.

На этом рисунке я изобразил всего 3 сконденсированных фотона. В действительности на электроне фотонов миллиарды миллиардов и соседние фотоны отличаются друг от друга всего на один квант. Не может быть так – поглощен фотон в 10 квантов, а за ним потом поглотился фотон в 6 квантов. Возле керна самый длинный фотон и дальше идут фотоны уменьшаясь на один квант, вплоть до фотона в один квант на самой периферии. Правда один квант может содержать только электрон покоя, чего в нашем мире не наблюдается. Мы все время куда-то и с какой-то скоростью движемся, поэтому на наших электронах содержатся фотоны световые, тепловые, рентгеновские и так далее.

Сконденсированные фотоны похожи на кольцевые струны или браны (плоские струны) в сечении по направлению движения фотона. Но больше всего электрон (или любая другая частица) похож на луковицу. Каждый слой луковицы замкнут, и он сужается к верху и низу луковицы. Правда субстрат луковицы однороден и почти одной толщины от слоя к слою, а субстрат фотона состоит из 4-х видов полей и самый толстый слой у ядра, а самый тонкий на поверхности частицы. Пластичность поле позволяет создавать любую форму фотона, как растекающаяся вода.

В статье “Устройство электрона” описана модель конденсации фотона на электроне. В ней указаны силы, которые участвуют в процессе поглощения фотона. Эти силы обнаруживаются во всевозможных физических опытах. Известно, как они действуют. Они поддаются количественным измерениям. В общем в данной модели электрона много чего известного и понятного. И поскольку другой модели электрона просто не существует, то вот ее и надо бы описать математическим языком c участием сил, скоростей, ускорений и другими физическими величинами. Это будет на много ближе к истине, нежели волновая функция Шредингера. Этот математический материал и можно будет назвать теорией струн.