Днес научната представа за света се оформя така: нашата Вселена се управлява от два основни закона – Общата теория на относителността, която обяснява чудесната работа на гравитацията и квантовата механика, която описва останалите три взаимодействия във Вселената: силно ядрено взаимодействие, слабо ядрено взаимодействие и електромагнетизъм. Може да си изберем закон и да го приложим към големите структури – планети, галактики или към микроскопичните – протони и неутрони. Но защо природата би създала два отделни закона за Вселената?
Теорията на суперструните – съкратено от суперсиметрична струнна теория – е опит да се отговори на два въпроса: Съществува ли начин да се обединят Общата теория на относителността и квантовата механика, създавайки ,,теория за всичко’’? и От какво се състои ,,всичко’’?
Преди се считаше, че строителните „тухли” на Вселената са атомите, най-малките форми на материята. Но след това ние сблъскахме атомите и открихме елементарните частици, толкова малки, че даже не можем да ги разгледаме, без да ги променим по определен начин. За да видим нещо е необходимо светлината да се отрази от обекта и да попадне в нашето око, съставяйки образ. Но светлината се състои от електромагнитни вълни, които свободно преминават през елементарните частици. Ние можем да направим тези вълни по-плътни, да им добавим енергия, за да ударят те частиците и ние да можем да ги видим. Но в момента, когато частица е ударена от нещо, тя се променя. Не успяваме дори да си представим как изглеждат елементарните частици. Не можем да наблюдаваме тъмната енергия и тъмната материя, но имаме основания да предполагаме, че те съществуват.
Ние разглеждаме тези частици като точки в пространството, макар че те не са такива. Идеята на квантовата механика за това, че силите се пренасят от частиците, ни дава нелоша представа за Вселената и води до приложни открития като квантовите разтворители и влаковете на магнитна левитация. Общата теория на относителността също премина през сериозна проверка във времето, обяснявайки неутронните звезди и аномалиите в орбитата на Меркурий, предсказвайки черните дупки и изкривяването на светлината. Но нейните уравнения, за съжаление, престават да работят в центъра на черната дупка и в предверието на Големия взрив. Проблемът е в това, че двете теории заедно не могат да работят, защото гравитацията е свързана с геометрията на пространството и времето, когато разстоянията се измерват точно, а в квантовия свят това е невъзможно.
Когато учените се опитали да изобретят нова частица, която би обединила гравитацията с квантовата механика, тяхната математика просто престанала да работи. Затова те предположили, че най-малките „тухлички” на Вселената не са точки, а струни. Колебанията на струните създават различни елементарни частици като кварките. Вибриращите струни биха могли да създадат цялата материя на Вселената и нейните четири сили – включително гравитацията
Повече измерения
Теорията на суперструните не работи, ако предположим, че съществуват само три пространствени измерения и едно времево, в които ние живеем. Тя изисква не по-малко от десет измерения.
Когато Общата теория на относителността била замислена, гравитацията изкривявала пространството и времето, за да формулира тази сила. Затова, ако някой поиска да опише друга сила, например електромагнитна, трябва да добави ново измерение. Учените съставили уравнение, описващо изкривяванията на Вселена с допълнително измерение и получили оригинално уравнение за електромагнетизма. Това е удивително откритие.
Допълнителните измерения в Теорията на струните ни помагат да си обясним защо числата в нашата Вселена са толкова добре съгласувани. Например, защо скоростта на светлината е 299 792 458 метра в секунда? Те се опитват да отговорят и на въпроса за гравитацията – защо тази сила е толкова слаба? Тя е най-слаба от четирите фундаментални взаимодействия: десет на четиридесета степен по-слаба от електромагнитната сила. Достатъчно е да се наведете и да вдигнете предмет от пода, за да й противодействате. Гравитацията се състои от нишки със затворен контур, което й позволява да напусне нашето измерение, за разлика от отворените нишки, които са по-здраво заземени.
Защо не виждаме всичките измерения
Те съществуват, но са невидими за нас. Те са компактни, окомплектовани по такъв начин, че възпроизвеждат физиката на нашия свят, събирайки се в интересни форми Калаби-Яу. Различните форми Калаби-Яу позволяват да съществуват различни вибрации на струните и съвсем различни Вселени. Ние даже можем да тестваме предполагаеми Вселени. Но даже при най-благоприятни условия тестването на нещо подобно би било невероятно трудно.
Изследването на струнната теория се провежда в моделирани Вселени с десет или единадесет измерения, където математиката работи. Учените се опитват да премахнат допълнителните измерения, но засега никой не е успял да обясни нашата Вселена или да направи експеримент за доказателство на теорията. Това не означава, че Теорията на струните няма приложение.
Математическият иструментариум, разработван по време на изследването на Теорията на струните, ни помага да разберем части от нашата Вселена. Ние боравим с него в опита си да обясним информационния парадокс, квантовата гравитация и някои проблеми на чистата математика. Някои учени използват тази теория за свои изчисления във физиката на частиците или при наблюдение на екзотични състояния на материята.
