Як же дійшов до такого висновку вчений? Для того щоб знайти відповідь на це питання, нам потрібно повернутися ще на кілька років назад. У 1907 рік. І звернути увагу на роботи Альберта Ейнштейна. На початку минулого століття цей великий фізик висунув свою знамениту теорію відносності (пізніше отримала прикметник «спеціальна»). Але, незважаючи на популярність цієї теорії, вона ніяк не пояснювала гравітаційні взаємодії.
Тому Ейнштейн почав шукати інший підхід. Він дуже хотів зрозуміти, як працює гравітація. Адже як так може бути, що Сонце, перебуваючи за 150 мільйонів кілометрів від Землі, здатне чинити на нашу планету вплив своєю гравітацією? Як воно передає її через порожній та інертний простір?
Простір-час і його кривизна
І одного разу Ейнштейна осінило! Якщо є щось, що має масу, то воно просто викривляє простір! Ця кривизна і передає силу тяжкості. Те ж саме відбувається і з Землею.
Ідея Ейнштейна була елегантною. І вона дійсно працювала. Це відкриття зробило фізика одним з найбільших вчених новітньої історії.
Відкриття, вчинене Ейнштейном змусило Калуцу задуматися. Адже і він, і Ейнштейн розробляли теорію всього. Це теорія, здатна описати всі фундаментальні взаємодії у Всесвіті. Щось на зразок найголовнішого рівняння. Ключ від усіх дверей, якщо можна так висловитися.
Теодор Калуца зрозумів, що Ейнштейн зміг описати гравітацію як набір кривих ліній і деформацій в просторі-часі. І спробував зробити те ж саме з іншою силою, яка була відома в той час: електромагнітної. Калуца вважав, що може зробити те ж саме: пояснити електромагнітну силу кривими і деформаціями.
Електромагнітна сила як крива
Але в чому саме? В якому середовищі? Ейнштейн вже використовував простір-час для пояснення гравітації. Що ж могло нести відповідальність за передачу електромагнітної сили? Адже під рукою більше нічого не було. І тоді Калуца припустив, що це можуть бути додаткові вимірювання. Іншими словами, щоб описати ще одну силу, він додав до Всесвіту ще один вимір. Таким чином вона стала мати чотири фізичних вимірювання і час. Які фізики розглядають як ще один вимір.
Цікаво, але коли Калуца почав писати рівняння, що пояснюють криві і деформації в чотиримірному Всесвіті, він вивів ті ж рівняння, що Ейнштейн вивів для гравітації. Виходило, що електромагнітна сила описувалася в чотиримірному Всесвіті так само, як описувалася гравітація в тривимірній. Хм.
З цього приводу Ви можете задатися двома питаннями. Перший звучить так: якщо у Всесвіті більше вимірювань, ніж три, то де вони? Адже ми не бачимо їх навколо себе. Друге питання: чи працює ця теорія, якщо ми застосуємо її в деталях до всього, що нас оточує? Відповідь на перше запитання надійшла через кілька років, 1926 року. Його сформулював шведський фізик Оскар Клейн. Він припустив, що може бути два типи вимірювань. Деякі з них великі і легко переглядаються. Інші - набагато менше. Вони скручені і згорнуті самі в себе.
Маленькі і непомітні
На думку Клейна, ці вимірювання є настільки маленькими, що незважаючи на те, що вони знаходяться всюди навколо нас, ми просто не можемо їх побачити. Такі міркування можуть здаватися важкими для розуміння, проте все ж вони мають сенс. Давайте спробує це зрозуміти.
Уявімо, що у нас є якийсь кабель, що висить над полем на якихось підпорах, який ми спостерігаємо здалеку. Ми можемо без зусиль сказати, що з нашої точки зору цей кабель - одномірний об'єкт. Який має тільки довжину. Однак насправді це не так. Адже в реальності у нього є й інший параметр - діаметр. І площа поверхні він теж має. І для, наприклад, мурашок ці параметри цілком відчутні. Для цих милих маленьких істот кабель - це повністю тривимірний об'єкт.
Приблизно так працює ідея Клейна. Тільки в масштабі набагато меншому, ніж ми можемо собі уявити.
Отже. Якби Ви були неймовірно маленьким мурахом, то могли б спуститися в найменшу шкалу простору-часу. І побачити там ці додаткові вимірювання, згорнуті в спіраль. Таким чином, відповідь на перше питання може здатися цілком правдоподібною.
Але як щодо іншого питання? Чи спрацює ідея Калуци, якщо застосувати її до реального світу? У ті часи, коли над теорією всього працював Клейн, виходило, що відповідь це питання - ні. Використовуючи ті знання, які були тоді у вчених, завдяки роботам Калуци, Ейнштейна та інших дослідників раптом виявилося, що дослідники не можуть встановити такі речі, як, наприклад, маса електрону. У результаті подібних прикрих невдач вся ідея пояснення Всесвіту за допомогою єдиної теорії канула в лету. Це сталося в 1940-х роках минулого століття.
Теорія струн. Відродження
Однак в абсолютне забуття вона не потрапила. В останні десятиліття 20-го століття вона знову з'явилася. Але вже в іншій формі. Під назвою «теорія струн». Нова теорія пішла трохи далі, ніж теорія Калуци. Вчені (ми говоримо про вчених нашого часу, таких як Брайан Грін, які працюють в цій області) поставили собі відносно просте питання - чим є найдрібніший неподільний елемент матерії, з якої складається весь світ навколо нас? Проведемо мислений експеримент.
Уявімо, що у нас якимось чарівним чином з'явився футбольний м'яч. І ми спостерігаємо його в мінімально можливому масштабі. Тобто спускаємося вниз до рівня атомів. Ви мабуть знаєте, що атоми не найменша одиниця, яку ми можемо спостерігати. І вони складаються з ще дрібніших частинок. Це ферміони і бозони. Протон, наприклад, складається з трьох ферміонів. В даному випадку це два так званих верхніх кварка і один нижній кварк. Нейтрон складається з одного верхнього кварка і двох нижніх кварків. А з чого складаються ці кварки? Ніхто не знає. Справа в тому, що фізикам не вдалося розділити кварк на якісь частини. Іншими словами, в цьому місці закінчується все, що ми знаємо.
З чого складаються кварки?
І все ж кварки повинні з чогось складатися? І якщо це так, то де, на якому рівні знаходиться те, що вже не можна розділити? А чому, власне, це не можна розділити?
На всі ці питання можна отримати відповідь. Так говорить теорія струн. Вона просуває нас на один крок вперед до розуміння природи цього світу. І стверджує, що всередині кварків є щось на зразок енергетичної нитки. По суті - це струна.
І ці струни, схожі на струни музичного інструменту, можуть вібрувати по-різному. І так само, як струна музичного інструменту відтворює різні музичні ноти, різні коливання цих струн виробляють різні частинки, з яких складається все у Всесвіті. На цьому мікроскопічному рівні ці струни і є основа Всесвіту.
Це дуже красива теорія. І якщо вона працює, це означає, що і частинки матерії, і частинки фундаментальних сил мають одне і те ж походження. І у всіх них є спільні вібруючі струни.
Математика теорії струн не працює в тривимірному Всесвіті. І не працює в чотиримірній, як та, що досліджував Калуца. Ні з п'ятьма, ні з шістьма, ні з сімома вимірами вона теж не працює. Що б все склалося як треба, необхідно десять фізичних вимірювань. І одне тимчасове. Це єдиний всесвіт, в якому працює теорія струн.
Якщо Вам важко уявити собі чотири фізичні вимірювання, я пропоную не намагатися уявити десять. Від цього тільки буде боліти голова.
Теорія струн. Ключ від усіх дверей
Що дає людству ця елегантна теорія? Якщо теорія струн правильна, вона може дозволити нам використовувати червоточини для подорожей в інші всесвіти. (Хоча це під великим питанням). У дуже віддаленому майбутньому вона могла б дозволити нам пережити загибель нашого Всесвіту. Як? Теорія струн може дати нам можливість відправитися в інший Всесвіт. У далекому майбутньому, коли наш космос помре, життя зможе рухатися далі. Вона продовжить існувати в новому космосі, відмінному від того, який ми знаємо.
Теорія струн поки є лише теорією. І на її підтвердження можуть знадобитися десятиліття. Або навіть століття. Але якщо вона виявиться вірною, це допоможе нам істотно просунутися в нашому розумінні цього світу.
