Теория струн - телега, поставленная впереди лошади?

Теория струн активно разрабатывается на протяжении нескольких десятилетий. Но, не смотря на столь продолжительное время, успехи этой теории в объяснении с единых позиций всех известных в природе взаимодействий более чем скромные. Пока что разработчикам этой теории не удалось предложить ничего такого, что можно было бы проверить экспериментально. Хотя в свое время предполагалось, что эта теории вполне может претендовать на звание теории всего. Заложенные в ее основу физические принципы казались столь очевидными, убедительными и перспективными, что многие физики были просто уверены в том, что эта теория обречена на успех. Но время шло. Математический аппарат теории все более усложнялся, а желаемого результата так и не получилось. В чем причина? Анализ показывает, что дело как раз  в тех физических представлениях, которые были заложены в основание теории, но были использованы не совсем корректно. Рассмотрим их более подробно, не прибегая к сложным математическим выкладкам.

1. Существование дополнительных пространственных измерений во Вселенной.

Еще в 1919 году немецкий математик Калуца предположил, что во Вселенной может быть значительно больше пространственно-временных измерений, чем известные на то время три пространственных и одно временное измерения. Он ввел дополнительное пятое измерение и строго математически показал, что это приводит к появлению физического поля, свойства которого очень напоминают свойства электромагнитного поля. Значение этого открытия, сделанного, что называется на кончике пера, еще предстоит оценить в полной мере. Впервые было показано, что между физическими полями и пространственными измерениями существует тесная взаимосвязь. Проблема с признанием этого открытия состояла в том, что не было никаких экспериментальных фактов, которые бы указывали на существование этих дополнительных измерений. Они были ненаблюдаемыми.

В 1926 году шведский физик Оскар Клейн усовершенствовал теорию Калуцы. Он сделал весьма важное дополнение, относительно того, почему дополнительные измерения нельзя наблюдать. Идея Клейна состояла в том, что дополнительные измерения существуют, но их нельзя наблюдать из-за того, что они свернуты до размеров элементарных частиц. Но поскольку на то время не было достоверно известно, какой же размер имеют элементарные частицы, то и эта идея не получила дальнейшего развития. Вспомнили о теории Калуцы – Клейна только в восьмидесятые годы прошлого столетия, когда оказалось, что квантовая механика и общая теория относительности могут быть согласованы между собой только том случае, если существует не меньше девяти пространственных измерений, часть из которых может быть свернута до микроскопических масштабов. Таким образом, в теории струн появилось многомерное пространство-время. Развитие этих идей в рамках теории струн привело в 2004 году к, возможно, самому значительному открытию третьего тысячелетия получившего название ландшафта теории струн, которое значительно расширяет наши представления о строении окружающего мира. Оказалось, что существует практически бесконечное множество способов свести  многомерное пространство теории струн к четырехмерному пространству-времени. И каждый из этих способов рождает свой четырехмерный мир, свойства которого могут совпадать с наблюдаемым миром, а могут и отличаться. Другими словами теория струн однозначно предсказывает существования множества вселенных с самыми различными свойствами. Открытие оказалось настолько неожиданным и масштабным, что даже сами разработчики теории струн не смогли поверить, что такое возможно. И как ни странно, большая часть их усилий сейчас направлены на то, чтобы как можно скорее от этого ландшафта избавиться. Но здесь возникла еще одна проблема. В теории струн полностью отсутствуют критерии, при помощи которых, можно было бы из бесконечного множества вселенных выбрать одну единственную, в которой мы существуем или те вселенные, которые в принципе могут существовать. Почему так случилось? Причина более чем банальная. Теоретики перепутали причину и следствие. Ответ на этот вопрос содержится в работе (www.mtokma.narod.ru/kvant.doc), где показано, что именно физические поля определяют свойства пространства времени и существование дополнительных измерений, а не наоборот, как это сделано в теории струн.  Продемонстрируем это на очень простом примере. Еще в 1915 году,  по истечению несколько месяцев после публикации общей теории относительности, Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений Эйнштейна для сферической массы. Он показал, что если гравитационный радиус равняется радиусу сферической массы, то решение имеет вид:

       (1)

Из формулы (1) следует, что, изменяя массу тела, можно легко изменять кривизну пространства. Это доступно даже малышу, который песочнице насыпает горку из песка, и тем самым,  хоть и на микроскопическом уровне, изменяет кривизну окружающего пространства. Но формулу (1) можно записать и в другом виде:

     (2)

З точки зрения математики, здесь никакого нарушения нет. Но физический процесс совершенно другой. Теперь получается, что, изменяя кривизну пространства можно изменять массу тела. Возможно ли это? Вопрос остается открытым. Одно можно с уверенностью сказать, что этого на Земле еще никому не удавалось сделать. Первый смертный, который сумеет реализовать  процесс (2) на практике, немедленно будет возведен в ранг богов. Его возможности будут неограниченными. Управляя пространственными измерениями и их кривизной, он сможет создавать любые материальные объекты, любое вещество в буквально смысле из абсолютной пустоты. Если верить библии, то именно из пустоты был создан наш мир. И как теперь видно, все, что для этого нужно - это найти способ, как на практике можно реализовать процесс, который определяется выражением (2). И именно таким путем пошли разработчики теории струн. И, похоже, что в этом они превзошли самого Творца.  Заложив   в теорию дополнительные пространственные измерения (возможно, что больше, чем требовалось) они на выходе получили не одну, а практически бесконечное количество вселенных.  И это очень важное открытие. Впервые, чисто теоретически, была показана возможность, существования множества вселенных по своим свойствам отличающихся от той Вселенной, в которой существуем мы. Даже если теория струн не сможет ничего больше объяснить, то одно открытия ландшафта в этой теории достаточно для того, чтобы считать, что все усилия, которые были потрачены на ее создание, полностью себя оправдали. А то, что в теории нет критериев, по которым из всего многообразия можно было выбрать то, что нужно, вопрос второстепенный. Это случилось потому, что, как указывалось выше, причину и следствие поменяли местами. Другими словами двигали телегу впереди лошади.  Исправить это несложно, если еще раз обратиться к общей теории относительности и к идеям Калуцы и Клейна. Из общей теории относительно следует, что в сильных гравитационных полях пространственные измерения искривляются и при определенных условиях, когда вся масса, сконцентрирована внутри гравитационного радиуса, могут стать замкнутыми, образуя новое качественное состояние материи, получившие название черной дыры. Теория Калуцы-Клейна приводит к тем же выводам, только для других полей. То есть искривлять пространство могут не только гравитационные поля, но и другие поля которые существуют в природе. Но в силу того, что эти поля намного сильнее гравитационного поля, то их  пространственные измерения постоянно находятся в свернутом до размеров элементарных частиц состоянии. Из этого можно сделать вывод, что элементарные частицы могут представлять собой микроскопические черные дыры. Можно ли проверить теорию Калуцы-Клейна экспериментально? Оказывается, что уже существует большое количество опытных данных, которые полностью подтверждают эту теорию.

Как известно из общей теории относительности в сильных гравитационных полях свет может отклоняться от прямолинейного пути. Этот вывод теории был подтвержден астрономическими наблюдениями во время солнечных затмений. Но если направление распространения фотонов изменяется в гравитационных полях, то еще больше это должно быть заметно, если и другие, более сильные поля, тоже могут искривлять пространство-время. Это действительно наблюдается, но здесь имеется одна особенность. Сильные поля являются короткодействующими и заметно искажать пространство могут только на расстоянии, которое не превышает комптоновской длины  волны элементарных частиц. Учитывая скорость распространения фотона можно определить время, которое он может находиться в этом искривленном пространстве:

       (3)

Или:

    (4)

Как видно из (4) непосредственно наблюдать в эксперименте область пространства, в которой происходит искривление траектории луча, не удастся. Этому противодействует соотношение неопределенности Гейзенберга. Поэтому единственно, что можно сделать в этом случае, это на достаточном удалении от области прохождения фотонов в сильно искривленном пространстве определять направление входа луча в область взаимодействия и направления выхода из нее. И эти измерение  в физике уже давно проведены. Как нетрудно догадаться описанный выше процесс представляет собой ничто иное, как отражение  и рассеяние света от различных физических объектов. То, что в этом случае траектория луча может сильно отклониться от первоначального направления ни у кого не может вызвать каких либо сомнений. Таким образом, идеи Калуцы и Клейна полностью подтверждаются. Дополнительные измерения существуют. И этот факт уже невозможно отрицать.

А теперь, опираясь на общую теорию относительности, идеи Калуцы и Клейна и на опытные данные можно сделать следующие обобщение:

Каждому полю, существующему в природе, соответствует свой четырех мерный пространственно-временной континуум или своя вселенная. На сегодняшний день известны четыре типа взаимодействий, а значит, существуют как минимум четыре типа вселенных. Но этим количество вселенных не ограничивается. Опыт подсказывает, что «представители» разных вселенных могут взаимодействовать между собой и образовывать неограниченное количество промежуточных состояний. К примеру, лептоны, взаимодействуя с адронами, могут образовывать атомы. Атомы могут объединяться в те или иные элементы молекулы, кристаллы и так далее. И каждому этому образования соответствует свой пространственно временной континуум. И количество вселенных расширяется до бесконечности. Что полностью совпадает с тем, что предсказывает теория струн. Хотя в теории струн это представлено в несколько иной форме. Но теперь, когда известна  физическая причина возникновения ландшафта в теории струн, разработчикам этой теории не представит большого труда привести ее в соответствие с наблюдаемым миром.

2. Размеры элементарных частиц.

В теории струн предполагается, что весь спектр наблюдаемых в эксперименте частиц можно получить, если предположить, что в природе существуют некие струны, размер которых сравним с длиной Планка:

       (5)

Это предположение невозможно проверить экспериментально из-за того, что для современных ускорителей частиц эти энергии недоступны. Но эта длина казалась физикам привлекательной, потому, что ее можно получить из трех фундаментальных констант.  Предположение, что элементарные частицы могут иметь отличные от нуля размеры,  является весьма важным в физике элементарных частиц.  Он позволяет сразу же избавиться от ультрафиолетовых  расходимостей     в квантовой теории поля. Но анализ показывает, что сам масштаб выбран неудачно и противоречит имеющимся экспериментальным данным. Как показано в работе (mtokma.narod.ru›sucshestv_nenulevyh.doc) существуют веские доказательства того, что элементарные частицы имеют более плотное ядро, размер которого определяется комптоновской длиной волны этих частиц. И здесь не остается ничего другого, как упускать теорию струн по энергетической шкале вниз  до энергий покоя элементарных частиц. В таком случае в теории можно получить результаты, которые будут согласовываться с опытными данными (www.mtokma.narod.ru/string.doc).  Кроме того, в выражении (5)  постоянная Планка не является фундаментальной константой, а определяется, через другие физические величины (www.mtokma.narod.ru/new.doc):

      (6);

где  d  -  диаметр  частицы или физического тела;

m    -     масса;

          c   -    скорость света.

Этот факт в теории струн никак не отражен. При разработке стандартной модели это не имело никого значения, поскольку для всех трех взаимодействий (сильного, слабого и электромагнитного) значение постоянной Планка одно и тоже. Но в гравитации согласно формуле (6) постоянная Планка может принимать самые разные значения.

3. Струны в теории струн.

Первоначально струны были использованы в физике элементарных частиц для объяснения особенностей строений адронов. Это позволило во многих случаях получить хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных. По-видимому, это и послужило причиной того, что понятия струны было перенесено и в одноименную теорию. Что здесь не так? Только одно обстоятельство. Таких струн в Природе не существует. Это чисто абстрактная математическая модель. Из теории Калуцы-Клейна следует, что элементарные частицы представляют собой замкнутые микроскопические черные дыры. Для такого образования более характерна сферическая симметрия. Другими словами во внешнем пространстве они будут смотреться как микроскопические шарики. Они, как и струны, также могут иметь какой-то коэффициент упругости. Поскольку, как было показано выше, теория Калуцы-Клейна подтверждается опытными данными, то было бы логичней перейти от струн к сферически замкнутым объектам. Хотя разница здесь не очень существенная. Ведь упругие шары также можно растягивать, как и струны, но легче конечно сжимать. Но и в одном и в другом случае результат будет один. Струны или шары, таким образом,  будут приведены в возбужденное состояние, в них возникнут собственные дискретные колебания. А распад этих возбужденных состояний с образованием частиц уже не будет зависеть от того, каким способом это возбужденное состояние было достигнуто.

4. Сможет ли теории струн объединить с более фундаментальных позиций в одно целое все известные на сегодняшний день взаимодействия?

 Ответ отрицательный. Это невозможно потому, что неизвестны причины существования этих взаимодействий. Таких идей на сегодняшний день нет. Не заложены они и в теорию струн. А получить их, опираясь только на математический формализм, вряд ли удастся.

Из всего сказанного следует не очень оптимистический вывод:

Создание теории всего в очередной раз откладывается на неопределенное время.