А сейчас последуем за повествованием книги и попытаемся понять, какие же открытия следуют из теории струн. Это из 2

Снова атомы в духе древних греков?

В этой статье автор поднимает супер важный вопрос.

…сначала давайте рассмотрим более фундаментальный вопрос: из чего состоят струны?

Прямо душа радуется такому вопросу. Ну, наконец-то, появилась физика. Что же отвечает на данный вопрос Брайан Грин?

Есть два возможных ответа на этот вопрос. Во-первых, струны действительно являются фундаментальными объектами — они представляют собой «атомы», неделимые компоненты в самом истинном смысле этого понятия, предложенного древними греками. … С этой точки зрения, даже если струны имеют определённые пространственные размеры, вопрос об их составе лишён какого-либо смысла. Если струны состоят из каких-то более мелких компонентов, они не могут быть фундаментальными. Напротив, из чего бы ни состояли струны, эти элементы немедленно займут место струн в притязании на роль наиболее фундаментальных компонентов мироздания.

Как может ученый что-то понять, не имея ни малейшего понятия о диалектическом материализме? Все струна конец всему. И поэтому

струна представляет собой просто струну — поскольку нет ничего более фундаментального, нельзя описать струну как нечто, состоящее из каких-то других компонентов. Это первый ответ.

Более краткий ответ на вопрос: из чего состоит струна? такой – из струны. Самый элегантный ответ. А я то, надеялся, что автор скажет, струны состоят из магнитных и электрических полей, организованных определенным образом.  Не получилось. Может быть, второй ответ будет лучше?

Второй ответ … Итак, ещё одна возможность, в случае если теория струн не окажется окончательной теорией, состоит в том, что струны образуют ещё один слой в луковице мироздания, слой, который становится видимым в масштабах планковской длины, но который не является последним слоем. В этом случае струны могут состоять из ещё более мелких структур. Специалисты по теории струн осознают такую возможность и ведут теоретические исследования в этом направлении. На сегодняшний день эти исследования привели к некоторым интригующим догадкам о более глубоких уровнях структуры, но они ещё не получили окончательного подтверждения. Только время и дальнейшие исследования дадут окончательный ответ на этот вопрос.

Ну, совсем другое дело. Только интриги здесь никакой нет. Фотоны всевозможных излучений мы наблюдаем ежесекундно. И никакого подтверждения не нужно. Параметры частиц первой таблички находятся в пределах 0-10²⁰, а параметры струн (таблички посредников) лежат в пределах 10²⁰-10⁴⁰. 10²⁰ – это развернутый электрон при скорости света, а 10⁴⁰ – это один квант иначе нейтрино. А дальше поля и из чего они состоят не известно. Пока просто поле – магнитное и электрическое.

К сожалению, на вопрос: из чего состоят струны? Брайан не ответил. Возможно, пока.

Объединение через теорию струн

Что ни статья в книге, то шедевр. И главное в обе стороны. То говорятся верные вещи, то такое, что нарушает все физические и здравые положения. Вот как оценивает качество стандартной модели автор.

Помимо неспособности включить в себя гравитационное взаимодействие, стандартная модель обладает ещё одним недостатком — она не даёт описания устройства объектов, с которыми работает. Почему природа выбрала именно те частицы и взаимодействия, которые были описаны в предыдущих главах и перечислены в табл. 1.1 и 1.2? Почему 19 параметров, которые описывают количественные характеристики этих компонентов, имеют именно те значения, которые имеют? Учёным не удавалось отделаться от чувства, что количество и свойства этих объектов являются совершенно случайными. Скрывается ли за этими, на первый взгляд абсолютно произвольными компонентами, какой-то более глубокий смысл, или физические свойства мироздания являются просто «игрой случая»?

Как я писал выше, Брайан свято верит в эти две таблички и для него не возникает вопрос: а может это не природа выбрала именно такие частицы, взаимодействия и они имеют такие значения? Возможно, эти таблицы не полны или избыточны. Возможно, не такие взаимодействия или характеристики частиц и так далее. Предполагать, что излучивший электрон свою часть в виде фотона, остается таким же, мне кажется не серьезно. У природы со случайность есть сложности. У нее есть причина и следствие, и добраться через них до случайности мне, например, не удается.  

Стандартная модель сама по себе не способна дать объяснения всем этим фактам, поскольку она принимает список частиц и их свойств как полученные экспериментально входные данные.

Но ведь позитрон был предсказан математически и лишь, потом был открыт. Я не удивлюсь, если обнаружатся и моря Дирака. Если моя модель кванта верна, то это вполне возможно. И все-таки стандартная модель предсказывает мало.

…стандартная модель не может быть использована для получения предсказаний без входных данных, содержащих фундаментальные свойства частиц.⁴⁵ После того как экспериментаторы проведут тщательное измерение этих данных, теоретики смогут использовать стандартную модель для поддающихся проверке предсказаний, например, что произойдёт, если столкнуть какие-то определённые частицы в ускорителе. Но стандартная модель в той же мере не способна объяснить фундаментальные свойства частиц, перечисленные в табл. 1.1 и 1.2

А вот это ужасное положение. Нам надо обязательно столкнуть частицы

если эксперименты покажут, что в микромире существуют какие-то иные частицы или какие-то дополнительные взаимодействия, то в стандартной модели изменения могут быть легко учтены путём замены списка входных параметров.

Видите как. В стандартной модели все ждут появления новых частиц или взаимодействий. Затем вносят эти данные в математическую модель и потом смотрят, какие возникают новые решения и, может быть, эти решения что-то подскажут. Если предвидение проверится экспериментом, и оно подтвердится, что бывает очень редко, то можно считать теоретики не зря ели хлеб. Но в теории струн дело обстоит иначе.

Теория струн имеет совершенно иной характер. Это теоретическое здание единой и жёсткой конструкции. Все входные данные, которые ей необходимы, ограничиваются описываемым ниже единственным параметром, который устанавливает шкалу для проведения измерений. Теория струн способна объяснить все свойства микромира.

Все было бы великолепно, если бы теоретики рассматривали этот единственный параметр не как математический объект, по существу полученный из бета-функции Эйлера, а как реально существующий, наблюдаемый, проверяемый и всем знакомый, но пока не понимаемый, объект в виде фотона. В этом случае математика была бы значительно ближе к жизни. А так получаются казусы.

Каждая струна может совершать огромное (на самом деле бесконечное) число различных колебаний, известных под названиемрезонансных колебаний.

Конечно, это справедливо.

Согласно теории струн свойства элементарных «частиц» — их массы и константы различных взаимодействий — в точности определяются резонансными модами колебаний, реализуемыми внутренними струнами этих частиц.

А вот это уже никуда не годится. Точнее, может быть, для математики это то, что надо, не берусь судить, но в физическом мире такое не возможно.

Как же Брайан объясняет физику связи мод колебаний и, например, массу частиц.

Легче всего понять эту ассоциацию для массы частицы. Энергия конкретной моды колебания струны зависит от её амплитуды, … и от длины волны. Чем больше амплитуда и чем короче длина волны, тем больше энергия. Это совпадает с нашими интуитивными представлениями — более интенсивные колебания несут больше энергии, менее интенсивные — меньше. Пара примеров показана на рис. 6.3.

Это и есть самая большая ошибка теории. И хуже всего, что это элементарная ошибка, ее не следует допускать не только ученому, но даже студенту. Действительно от амплитуды колебаний энергия зависит. Ведь под колебаниями мы понимаем колебание физического материального вещества. Чем больше амплитуда колебаний, тем больше этого вещества под этой кривой. Это все верно. Амплитуда входит в содержание количества энергии. То есть мы вправе написать формулу E=kA, где, A– амплитуда, а k – какой-то коэффициент, это нам не важно. Совсем другое дело с частотой. О частоте можно говорить только на определенном промежутке времени. На этом промежутке времени мы и должны получить то или иное количество энергии. Но если промежуток времени фиксированный, то при любом количестве колебаний под этой кривой окажется одно и то же количество энергии, при условии равенства амплитуд.  И никакие более интенсивные колебания НЕ несут больше энергии. Интенсивность определяется амплитудой, а не скоростью ее нарастания. Она быстрее нарастает, но также быстрее и спадает. Да это все видно на таком простом опыте.

Сделайте длинный вал у электромотора мощностью, например, 1 киловатт. Посадите на этот вал три электрогенератора с различными частотами и одинаковой амплитудой: 50 гц, 500 гц и 1500 гц. Это легко сделать. В технике таких мотор-генераторов множество. А теперь скажите: какие мощности можно снять с этих генераторов? Ясно, что с каждого генератора можно снять не более 1 киловатта энергии, с учетом коэффициента полезного действия каждого из них. Не возможно на первом генераторе получить 1 квт, на другом – 10 квт, а на третьем – 30 квт энергии. Это знает даже школьник. Если бы это было не так, мы бы получали дармовую энергию. Это вечный двигатель.

Брайан для объяснения зависимости величины энергии использует модель в виде скрипичной струны. Он говорит:

если коснуться струны скрипки сильнее, звук будет более сильным, слабое прикосновение даст более нежный звук. Согласно специальной теории относительности энергия и масса представляют собой две стороны одной медали: чем больше энергия, тем больше масса и наоборот.

Да, это верно. В первом случае амплитуда колебаний больше, чем во втором. Измеритель интенсивности звука покажет различные величины интенсивности звука. Но если коснуться с одной и той же силой различные струны, например, струну с резонансной частотой 100 гц и струну с резонансной частотой 1000 гц, то показания прибора не будут различаться в 10 раз. Они будут примерно равны с поправкой на среду распространения звука, чувствительности и равномерности измерителя и др. Никакой зависимости энергии от частоты в этом случае не будет.

Частота играет роль в форме передачи энергии, но она никак не участвует в формировании количества энергии. И даже если рассматривать внутренние колебания струны, то они однотипны. Это вращение электрических и магнитных вихрей. И это движение создано природой в таком же виде перехода количества в качество, также как и сознание. Эти колебания лежат далеко за пределами планковских величин, Никаких других там мод не существует. Множество частот мы наблюдаем в режиме наборов этих однотипных колебательных объектов в виде квантов, или назовите их нейтрино или минимальной струной.  Более подробно о частоте и энергии можно прочесть в статьях о кванте, фотоне и излучении на этом сайте.

Таким образом, согласно теории струн наблюдаемые характеристики всех элементарных частиц определяются конкретной модой резонансного колебания внутренних струн. Этот взгляд радикально отличается от точки зрения, которой придерживались физики до открытия теории струн, когда считалось, что различия между фундаментальными частицами обусловлены тем, что они «отрезаны от разных кусков ткани». Хотя частицы считались элементарными, предполагалось, что они состоят из различного «материала».

И это верно, если считать, что все, буквально все, состоит из этих электромагнитных вихрей одной и той же частоты, но набранных в цепочки различной длины, то есть фотоны или по иному – струны. «Материал» действительно у всего существующего один.

Теория струн радикально изменила эту картину, объявив, что «материал» всего вещества и всех взаимодействий является одним и тем же. Каждая элементарная частица состоит из отдельной струны, — точнее, каждая частица представляет собой отдельную струну — и все струны являются абсолютно идентичными. Различия между частицами обусловлены различными модами резонансных колебаний этих струн.

«Материал» действительно один, но скомпонован он по-разному. С одной и той же  ткани можно пошить пальто или брюки, или кепку и т.д. Квантов, а соответственно и фотонов, по качеству существует 8 видов. Вот они и строят различные частицы по качеству. А по размеру частиц существует множество, как и капель воды. Все дело заключается в устойчивости этих частиц. Предположить, как одна частота может создать отрицательный электрон, а другая частота создать положительный позитрон или протон, довольно сложно.  Конечно, математически можно “вывернуть” струну положительными полуволнами наружу и получить позитрон, но как это может сделать природа – вопрос.

Хотя модель струны и не удачная, но выводы из нее делаются правильными. Понятие струны объединяет все частицы и взаимодействия.

Теория струн радикально изменила эту картину, объявив, что «материал» всего вещества и всех взаимодействий является одним и тем же. Каждая элементарная частица состоит из отдельной струны, — точнее, каждая частица представляет собой отдельную струну — и все струны являются абсолютно идентичными.

Конечно, если идентичность струн понимать в том виде, что все живое состоит из одних и тех же молекул, просто по различному скомпонованными.

Это единение элементов позволяет ученым уверовать в возможность построения универсальной теории мироздания. Но вновь возникают трудности. Есть только идеология струн, но нет ни физической, ни математической привязки теории к природе.

Музыка теории струн

Брайан пишет:

В предшествующем разделе мы предположили, что массы и константы взаимодействия таких элементарных частиц связаны с модами колебаний соответствующих струн. Это приводит нас к следующему выводу: если бы мы смогли точно определить все допустимые резонансные моды колебаний фундаментальных струн, — так сказать, «ноты», которые они могут исполнять, мы смогли бы объяснить наблюдаемые свойства элементарных частиц. Таким образом, теория струн впервые предлагает систему, позволяющую объяснить свойства существующих в природе элементарных частиц.

Как видите дело за малым. Мы знаем, что надо вычислять и что измерять. Правда, не понятно, как это использовать дальше. Допустим, что электрону соответствует частота v₁, а позитрону частота v₂, и что? Из этого будет следовать, что они обязаны аннигилировать и почему? Что получится в результате аннигиляции? Выделится энергия? В каком виде? Ну, до этого еще далеко.

Если теория струн права, возможные резонансные моды точно воспроизведут наблюдаемые свойства перечисленных в табл. 1.1 и 1.2 частиц вещества и частиц, передающих взаимодействия.

Жаль, что автор книги не знает, что в природе нет ничего точного. Я уже писал, что электрон излучивший фотон (струну или часть струны, которая является его сущностью) уменьшил свою массу и свой заряд. Но это величины планковских размеров и мы не можем их обнаружить. И здесь возникает скепсис. Эйфория первых революционных порывов начинает убывать.

на её пути остаётся ещё ряд препятствий, не позволяющих определить спектр колебаний струн с точностью, достаточной для сравнения с экспериментальными данными. Поэтому в настоящее время мы не знаем, может ли теория струн объяснить фундаментальные характеристики мироздания, приведённые в табл. 1.1 и 1.2.

Но все-таки мы будем пытаться совладать с теорией струн и придать ей законченный вид. Для этого проведем анализ ситуации.

В следующих главах мы более подробно обсудим имеющиеся проблемы, однако полезно сначала ознакомиться с ними в самых общих чертах. Окружающие нас струны могут иметь самое разное натяжение.

И тут рождается следующее открытие.

- Вы видели где-нибудь струны без натяжения? Нет? Так вот и внутренняя струна частиц тоже может иметь разное натяжение.

Железная логика. Но и такая логика не плохая.

- Вы видели струну без точек опоры?

- Да.

- Где?

- А вот в пакетике лежит, только что купил.

- И какое в ней натяжение?

- Да вроде никакого.

- А замкните ее концы. Сейчас натянулась?

- Не-е-е…

А кто обнаружил это напряжение струн? Да те же Шерк и Шварц.

В 1974 г., когда Шерк и Шварц предположили, что одна из мод колебания струн представляет собой гравитон, они смогли использовать такой косвенный метод и определить натяжение, с которыми оперирует теория струн. Их расчёты показали, что интенсивность взаимодействия, передаваемого колебанием струны, соответствующем гравитону, обратно пропорциональна натяжению струны. А поскольку гравитон передаёт гравитационное взаимодействие, которое является очень слабым, полученное ими значение натяжения оказалось колоссальным: тысяча миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (10³⁹) тонн, так называемое планковское натяжение. Таким образом, фундаментальные струны являются чрезвычайно жёсткими по сравнению с обычными. Этот результат имеет три важных следствия.

Здесь много чего интересного. Как видите, для гравитона нашлась мода. Для электрона или протона мы моду не можем найти, а вот для гравитона нашлась. Мало того она объяснила наличие натяжение в струне, да еще и помогла вычислить силу этого натяжения. Получилась даже цифра, которую с гордостью можно предъявить. С модой, то есть резонансной частотой, этого почему-то не случилось, не видно цифры. Да ладно. Мы и сами это вычислим.  Поскольку гравитон движется со скорость света, то это частица без массы. Масса связана с энергией соотношением E=mc². Масса 0 и энергия 0. А согласно теории струн энергия зависит от частоты колебания струны. Энергии нет и колебаний нет, точнее есть нулевые колебания. Да и какие тут могут быть колебания при таком напряжении? Так что все совпадает, особенно в математическом виде. Только вот червячок сомнения. А как же быть с фотоном? Он тоже без массы, а мода уже занята. Может быть тогда струны разные? Почитаем, что будет дальше.

Три следствия жёстких струн

Первое следствие. Так как в струне никакие точки не закреплены, то громадное натяжение сжимает струну до минимально возможных размеров.

Детальные расчёты показывают, что под действием планковского натяжения типичная струна сжимается до планковской длины, т. е. до 10⁻³³ см, как отмечалось выше.

Как видим, до таких размеров сжимается типичная струна, а не типичная струна может сжиматься до каких-то других размеров.

Второе следствие.

Струна с большим натяжением будет иметь большую энергию, чем струна с низким натяжением, поскольку для того, чтобы привести её в движение, потребуется большее количество энергии.

Все кто держал в руках гитару или даже балалайку знают, чем сильнее ударишь по струне, тем более громкий звук издаст струна. И это присуще любой струне при любом натяжении. Энергия зависит от амплитуды колебаний, но не от частоты. Здесь Брайан наступает на те же грабли.  

На первый взгляд это описание может привести вас к мысли, что при переходе к более слабым колебаниям, с меньшей амплитудой и с меньшим числом максимумов и минимумов, струна будет обладать всё меньшей энергией.

Ни к каким мыслям это не приводит, кроме: с амплитудой верно, а с частотой – нет. И это не потому, что

Согласно квантовой механике колебания струн, подобно всем другим колебаниям и волноподобным возмущениям, могут иметь только дискретные значения энергии.

Дискретные значения имеет все. В природе наблюдаемое нами все представляет энергию (массу) в виде фотонов (струн), а фотон состоит из квантов, набора дискретных частичек энергии, которые обладают свойством самостоятельно двигаться. Это диалектическое объединение материи и движения. И выражение Брайана:

этот минимальный энергетический номинал пропорционален натяжению струны (а также числу максимумов и минимумов конкретной моды колебаний), а целочисленный множитель определяется амплитудой моды колебаний

имеет смысл если под номиналом иметь в виду физический объект квант, а под амплитудой количество квантов в фотоне.

Но поскольку у Брайана не физический объект, а математический, то получается, что

Поскольку минимальный энергетический номинал пропорционален огромному натяжению струны, минимальная фундаментальная энергия также будет огромна по сравнению с обычными масштабами физики элементарных частиц.

И этот минимальный энергетический номинал во много раз больше массы протона. И возникает вопрос: как же из этих минимальных номиналов получить еще более минимальные частицы? Смотри первую таблицу. Прямо по Стругадским: из мертвого живое получить легко, а из живого получить мертвое сложно. Вместо братьев Стругадских здесь выступает квантовая механика.

Замечательный факт, впервые установленный в 1970-х гг., состоит в том, что квантовые осцилляции и обычные колебания струны, которые обсуждались выше и были показаны на рис. 6.2 и 6.3, с энергетической точки зрения взаимно сокращают друг друга. Действительно, согласно квантовой механике энергия квантовых флуктуаций струны является отрицательной и уменьшает общую энергию колеблющейся струны на величину, примерно равную планковской энергии.

Какая чудесная наука квантовая механика. Подобрала именно отрицательную энергию. Заметьте не противофазные колебания, а именно отрицательную энергию. Вы когда-нибудь видели отрицательную энергию? Я грешным делом полагал, что энергия либо есть в каком-то количестве, либо ее нет, а чтобы отрицательная …

Наверно все это надо для получения единой теории.