Теорията на струните е предполагаема теория за всичко, което физиците се надяват един ден да обяснят, буквално за всичко. Всички сили, всички частици, всички константи, всички неща под един единствен теоретичен покрив, където всичко, което виждаме, е резултат от малки, вибриращи струни. Теоретиците работят върху идеята от 60-те години на миналия век и едно от първите неща, които разбраха, е, че за да работи теорията, във Вселената трябва да има повече от четири измерения, с които сме свикнали. И тази идея не е толкова луда, колкото изглежда.
В теорията на струните малки бримки на вибриращата устойчивост (на теория те са основният обект на реалността) се проявяват като различните частици (електрони, кварки, неутрино и др.) и като носители на сила на природата (фотони, глуони гравитони и др.). Начинът, по който правят това, е чрез техните вибрации. Всяка струна е толкова мъничка, че ни се струва, че не е нищо повече от частица точица, но всеки низ може да вибрира в различни режими, по същия начин, по който можете да получавате различни тонове от струна на китара.
Счита се, че всеки режим на вибрация е свързан с различен вид частици. Така че всички струни, вибриращи по един начин, изглеждат като електрони, всички струни, вибриращи по друг начин, изглеждат като фотони и т.н. Това, което виждаме като сблъсъци на частици, от позиция на теорията на струните, са куп струни, които се сливат и разделят.
Но за да работи системата, трябва да има повече от четири измерения във Вселената. Това е така, защото обичайното пространство-време не дава на струните достатъчно „място“ да вибрират по всички начини, които им трябват, за да се изразят напълно като всички разновидности на частиците в света. Те са твърде ограничени.
С други думи, струните не просто трептят, а правят това в хипер-измерения.
Настоящите версии на теорията на струните изискват общо 10 измерения, докато още по-хипотетичната теория на „върховните струни“, известна като М-теория, изисква 11. Но когато огледаме Вселената, виждаме само обичайните три пространствени измерения плюс измерението на времето. Почти сме сигурни, че ако Вселената имаше повече от четири измерения, щяхме да забележим досега.
Как изискването на теорията на струните за допълнителни измерения е възможно да се приведе в съответствие с нашите ежедневни преживявания във Вселената? За щастие, поддръжниците на теорията на струните успяха да посочат исторически предшественик за тази на пръв поглед радикална представа за Вселената.
Още през 1919 г., малко след като Алберт Айнщайн публикува теорията си за общата относителност, математикът и физик Теодор Калуза си играел с уравненията, само за забавление. Но открива нещо особено интересно, когато добавя пето измерение към уравненията – нищо не се случва. Уравненията на относителността наистина не се интересуват от броя на измеренията; и точно това е нещото, което трябва да добавите, за да направите теорията приложима за нашата Вселена.
Но тогава Калуза добавя специален обрат към това пето измерение, като го кара да се увие около себе си в това, което нарича „състояние на цилиндъра“. Това изискване създава нещо ново: Калуза възстановява обичайните уравнения на обща относителност в обичайните четири измерения, плюс ново уравнение, което възпроизвежда изразите на електромагнетизма.
Изглежда, че добавянето на още измерения потенциално може да унифицира физиката.
Все пак, няколко десетилетия по-късно друг физик, Оскар Клайн, се опитва да даде на идеята на Калуза интерпретация по отношение на квантовата механика. Той открива, че ако това пето измерение съществува и е по някакъв начин отговорно за електромагнетизма, това измерение трябва да бъде умалено, да се увие около себе си (точно както в първоначалната идея на Калуза), но е много по-малко, до едва 10 на -35 степен метра.
Ако едно допълнително измерение (или повече допълнителни измерения) наистина са толкова миниатюрни, не бихме могли да ги забележим досега. Това измерение е толкова малко, че не бихме могли да се надяваме директно да го изследваме с нашите високоенергийни експерименти. И ако тези измерения са завити около себе си, тогава всеки път, когато се движите в четири-измерно пространство, вие наистина заобикаляте тези допълнителни измерения милиарди и милиарди пъти. И това са измеренията, в които живеят струните на струнната теория.
С допълнително математическо вдъхновение беше установено, че допълнителните шест пространствени измерения, необходими в теорията на струните, трябва да бъдат обгърнати в определен набор от конфигурации, известни като многообразие на Калаби-Яо – двама видни физици. Но няма нито едно уникално многообразие, което е разрешено от теорията на струните. Има около 10 на 200 000 степен.
Оказва се, че когато се нуждаете от шест измерения, които да се завият върху себе си и да им дадете почти всеки възможен начин да направят това, това добавя нови измерения. Това са много различни начини да се завият тези допълнителни измерения върху себе си. И всяка възможна конфигурация ще повлияе на начина, по който струните вътре в тях вибрират. Тъй като начините, по които струните вибрират, определят как се държат тук, в макроскопския свят, всеки избор на многообразие води до отделна вселена със собствен набор от физика. Така че само едно многообразие може да породи света, какъвто го преживяваме. Но кое?
За съжаление теорията на струните не може да ни даде отговор, поне все още не. Проблемът е, че теорията на струните все още не е цялостна – ние имаме само различни методи за сближаване, които се надяваме че ще се доближат до истината, но в момента нямаме представа колко и дали въобще сме прави. Така че ние нямаме математическа технология за проследяване на веригата, от специфично многообразие до конкретна струнна вибрация, до физиката на Вселената.
Отговорът на теоретиците на струнната теория е нещо, наречено Пейзаж, набор от всички възможни вселени, предвидени от различните многообразия, като нашата Вселена е само една точка сред многото такива.
