Немного истории.

В далеком 1968 году в ЦЕРНе Габриэле Венециано разработал удобный математический способ для описания реакций между частицами, участвующими в сильном взаимодействии. Для этого описания оказалось удобным исользовать – функцию Эйлера. Почему функция, которой почти двести лет описывает сильное взаимодействие при этом осталось непонятным. Спустя два года Намбу, Сасскинд и Нильсен подобрали подходящую математическую модель. Как оказалось, процесс моделируется маленькой замкнутой колеблющейся резиновой лентой (или струной). Последнее название хорошо прижилось.

Еще четырьмя годами позже было обнаружено, что среди мод колебаний таких струн присутствуют такие, которые соответствуют гравитону – гипотетическому переносчику гравитационного взаимодействия, который был исскуственно введен в квантовую теорию в погоне за объединением всех известных типов взаимодействий. Словосочетание мода колебаний означает такие колебания системы (в нашем случае струны), когда, просто говоря, форма струны остается постоянной, а сами колебания имеют строго определенную частоту. Таким образом, в теории струн естественным образом возникала гравитация, которая напрочь выпадает из стандартной модели. Вместе с тем, у данного механизма описания элементарных частиц обнаружились некоторые противоречия с экспериментальными данными, что, конечно, ставило под вопрос дальнейшее развитие идей в этом направлении.

Почти десять лет положение не менялось и лишь в 1984 году Грином и Шварцем эти противоречия были разрешены и показано, что в рамках теории струн могут быть описаны все взаимодействия.

Базовые положения теории струн.

Таким образом, теория струн моделирует микрочастицы как протяженные объекты, имеющие кольцевую структуру, все физические свойства которых определяются их модой колебания. В каком-то смысле теория струн подобна атомизму Демокрита – нет множества разных струн, каждая из которых соответствует своей частице. Есть один фундаментальный объект – струна, и в зависимости от того, как эта струна колеблется мы констатируем наличие частицы с определенными свойствами. Более интенсивное колебание означает частицу с большей энергией, а менее интенсивное – с меньшей. Струны должны иметь чрезвычайно малый пространственный размер (как правило) и это обусловливает их чрезвычайно большое натяжение.

В этой картине представляется чрезвычайно важным факт существования, например безмассовых частиц (таких как фотон). Дело в том, что нами были рассмотрены колебания струн самих по себе, но квантовые колебания вакуума так же имеют место и в результате сложение одних колебаний с другими может привести к исчезновению одной или нескольких мод и данная характеристика струны (масса, заряд) может отсутствовать. Таким образом, всякой моде из бесконечного набора соответствует своя элементарная частица. Другое дело, что массы таких частиц должны превосходить, как правило, планковскую массу – примерно кг или энергия колебаний наоборот минимальна и компенсируется или практически компенсируется нулевыми колебаниями.

Теория струн и гравитация.

Выше уже было сказано, что в теории струн естественным образом появляется переносчик гравитационного взаимодействия гравитон. Но как же все-так разрешить конфликт между гравитацией и физикой элементарных частиц. Напомним, что, говоря простым и наглядным языком, суть конфликта в том, что с точки зрения топологии пространства на расстояниях меньше планковской длины флуктуации физического вакуума должны, согласно квантовой механики, становиться столь сильными, что нет никакой возможности считать пространство гладким, и это несовместимо с представлениями в рамках ОТО. Стандартная модель полагает, что микрочастицы-это точечные объекты. То есть они лишены пространственной протяженности и являются просто точками в геометрическом понимании этого слова. В этом смысле стандартная модель вполне подобна максвелловской теории электромагнетизма: заряды-это узловые точки поля.

В то же время, теория струн в качестве первичного объекта предлагает протяженный пространственный объект, чьи размеры, даже минимальные, превосходят планковскую длину. То есть, сам объект представляющий микрочастицу имеет размеры большие чем те масштабы на которых могло бы иметь место противоречие в отличие от точечных, безрамерных объектов стандартной модели. Иными словами, в масштабах струн пространство можно продолжать считать гладким и тогда ничто не препятсвует введению гравитационного взаимодействия в рассмотрение. Однако, возникает естественный вопрос: а как же все-таки быть с гравитационным взаимодействием на меньших масштабах? Оно ведь все равно должно пропадать. Ответить помогает подход уже принятый в квантовой механике. Дело в том, что исследовать какие либо масштабы возможно только с помощью объектов, размеры которых не превосходят эти масштабы. Так, с помощью УЗИ можно исследовать внутренние органы человека, но бесполезно пытаться таким же путем ядро соматической клетки этого человека. Но самым малым средством исследования являются микрочастицы, чьи размеры больше планковской длины, следовательно, то что может происходить или не происходить на меньших масштабах принципиально не поддается проверке. Мы здесь попросту сталкиваемся с естественной границей применимости квантовой механики. Как будет показано далее, теория струн попросту выводит из рассмотрения расстояния, меньшие, чем м.