How big is Струна?

У теорії струн струна — це запропонований базовий будівельний елемент природи: крихітна нитка, що має довжину, але не має ширини. Струни гіпотетичні, і жоден експеримент не виявив жодної з них, тому значення 9,3 × 10⁻³⁶ метра, показане вгорі, не є результатом вимірювання. Це число — 9,3, поділене на одиницю з 36 нулями. Сама теорія струн не каже, якою саме є довжина струни.

Розмір

Теорія струн припускає, що найменші складники матерії — не точки, а крихітні петлі струни. Розмір струни залежить від величини, яку називають довжиною струни. Теорія залишає її значення невизначеним. Воно залежить від інших невідомих, зокрема від сили взаємодії струн і від розміру додаткових вимірів, яких вимагає теорія.

Фізики зазвичай припускають довжину струни, не набагато більшу за довжину Планка — 1,6 × 10⁻³⁵ метра, масштаб, на якому, як очікують, стають важливими квантові ефекти гравітації. У версіях теорії, які фізики розуміють найкраще, струна довша за довжину Планка. Показане вгорі значення трохи більше за половину довжини Планка.

Довжина струни в теорії струн також, грубо кажучи, слугує найменшою відстанню. Струна не може зондувати нічого коротшого за себе, бо на такому масштабі вона розмита.

Порівняння розмірів

• Приблизно 100 мільярдів мільярдів (10²⁰) струн, кожна завдовжки з довжину Планка, викладені в ряд встик, простяглися б на ширину протона, який завширшки близько 1,7 фемтометра. Фемтометр — це 10⁻¹⁵ метра, а довжина Планка — наступний більший об’єкт на цьому сайті.
• Якби струну завдовжки з довжину Планка збільшили до ширини людської волосини, близько 0,1 міліметра, протон мав би в поперечнику приблизно один світловий рік. Світловий рік — це відстань, яку світло проходить за один рік.
• Експерименти на колайдері частинок HERA з’ясували, що кварки мають у поперечнику менш ніж 8,6 × 10⁻¹⁹ метра. Ця межа все одно становить приблизно 50 мільйонів мільярдів (5 × 10¹⁶) довжин Планка.

Що пояснювали б струни

У теорії струн кожен вид частинок — це струна, що вібрує по-своєму, кожна зі своєю частотою. Теорія виникла як спроба описати, як взаємодіють частинки, як-от протони. З часом вона переросла в спробу описати всі частинки й сили в одній теорії.

Гравітація в теорії струн не є необов’язковою: теорія її вимагає. Багато фізиків вивчають теорію струн як можливу теорію квантової гравітації, яка поєднала б гравітацію з квантовою механікою. Теорія також вимагає шести або семи додаткових вимірів простору понад ті три, які спостерігали.

Чому струни не перевіряли

Теорія струн є спекулятивною. Немає експериментальних доказів, що вона описує реальний світ, і вона поки що не робить єдиного чіткого передбачення, яке можна було б перевірити в експериментах. У картині, розробленій близько 1980 року, додаткові виміри згорнуті приблизно на планківському масштабі, надто малому, щоб перевірити його найближчим часом.

Деякі версії роблять струни досяжними для Великого адронного колайдера — найбільшого й наймогутнішого прискорювача частинок у світі. Колайдер шукав важкі частинки, які були б струнами, що вібрують. На момент огляду Групи даних про частинки (Particle Data Group) 2025 року він виключив такі частинки, легші приблизно за 8 400 мас протона.

Джерела

• Explain it in 60 seconds: String theory. John H. Schwarz, Symmetry, Fermilab and SLAC, 2007.
• Lectures on String Theory. David Tong, University of Cambridge, 2009.
• Extra Dimensions. Particle Data Group, 2025.
• Minimal Length Scale Scenarios for Quantum Gravity. Sabine Hossenfelder, Living Reviews in Relativity, 2013.
• The Large Hadron Collider. CERN.
• Proton mass energy equivalent in MeV. NIST CODATA, 2022.
• Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering at HERA. ZEUS Collaboration, Physics Letters B, 2016.
• Planck length. NIST CODATA, 2022.
• Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
• Measuring the Universe. International Astronomical Union.