Стало отчетливо понятно, что эта программа на самом деле является отнюдь не содержанием теории струн, а только еще одной областью ее приложения. •Краткая история теории струн. Не так давно физический мир облетела новость: знаменитая теория струн несовместима с существованием тёмной энергии, какой её себе представляет большинство космологов. Не так давно физический мир облетела новость: знаменитая теория струн несовместима с существованием тёмной энергии, какой её себе представляет большинство космологов.
Теория суперструн кратко и понятно
Первый вариант теории струн назвали бозонным, так как он описывал струнную природу бозонов, ответственных за взаимодействия материи, и не касался фермионов, из которых материя состоит. Теория струн воспринималась как теория ядерного взаимодействия (в ядре атома удерживаются нейтроны и протоны). В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно.
Теория струн кратко и понятно
Почта Мой МирОдноклассникиВКонтакте Игры Знакомства Новости Поиск Облако VK Combo Все проектыВсе проекты. одна из наиболее восхитительных и глубоких теорий в современной теоретической физике. Теория струн основана на идее физики о том, что все известные силы, частицы и взаимодействия могут быть связаны. Теория струн, пожалуй, самая спорная большая идея во всей сегодняшней науке – Самые лучшие и интересные новости по теме: Атом, бозон Хиггса, квантовая физика на развлекательном портале Как теория струн стала «теорией всего». Где-то к началу 1980-х ученые поняли, что теория струн, изначально придуманная для описания взаимодействий адронов, имеет более фундаментальный характер.
Теория струн. Возникновение теории, ее приложения
Теория струн предполагает, что таких измерений минимум десять. Суперсимметрия Существует два класса элементарных частиц: бозоны и фермионы. Согласно Теории струн, между этими частицами существует суперсимметрия: напротив каждого фермиона есть свой бозон. Это правило исключает существование воображаемого уровня энергии и придает смысл самой теории.
Объединение сил Теория относительности изучает большие объекты всей вселенной, квантовая механика фокусируется на крошечных объектах, субатомных частицах. Причем в физике нет четкого объяснения, как гравитация влияет на эти субатомные частицы. Теория струн предположительно решает эту проблему и стремится описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации.
Закрытые струны Струны имеют две формы: закрытые и открытые. Последние могут свободно присоединяться к концам другой струны и формировать новую.
Текущее описание силы тяжести в ОТО не согласуется с квантовой физикой.
Последняя, накладывая ограничения на поведение небольших частиц, при попытке исследовать Вселенную в крайне малых масштабах ведет к возникновению противоречий. Унификация сил В настоящее время физикам известны четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнитная, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Из теории струн следует, что все они когда-то являлись проявлениями одной.
Согласно этой гипотезе, так как ранняя вселенная остыла после большого взрыва, это единое взаимодействие стало распадаться на разные, действующие сегодня. Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединение этих сил, хотя такие опыты находятся далеко за пределами текущего развития технологии. Пять вариантов После суперструнной революции 1984 г.
Физики, перебирая версии теории струн в надежде найти универсальную истинную формулу, создали 5 разных самодостаточных варианта. Какие-то их свойства отражали физическую реальность мира, другие не соответствовали действительности. М-теория На конференции в 1995 году физик Эдвард Виттен предложил смелое решение проблемы пяти гипотез.
Основываясь на недавно обнаруженой дуальности, все они стали частными случаями единой всеобъемлющей концепции, названной Виттеном М-теория суперструн. Одним из ключевых ее понятий стали браны сокращение от мембраны , фундаментальные объекты, обладающие более чем 1 измерением. Хотя автор не предложил полную версию, которой нет до сих пор, М-теория суперструн кратко состоит из таких черт: 11-мерность 10 пространственных плюс 1 временное измерение ; двойственности, которые приводят к пяти теориям, объясняющих ту же физическую реальность; браны — струны, с более чем 1 измерением.
Следствия В результате вместо одного возникло 10500 решений. Для некоторых физиков это стало причиной кризиса, другие же приняли антропный принцип, объясняющий свойства вселенной нашим присутствием в ней. Остается ожидать, когда теоретики найдут другой способ ориентирования в теории суперструн.
Некоторые интерпретации говорят о том, что наш мир не единственный. Наиболее радикальные версии позволяют существование бесконечного числа вселенных, некоторые из которых содержат точные копии нашей. Теория Эйнштейна предсказывает существование свернутого пространства, которое называют червоточиной или мостом Эйнштейна-Розена.
В этом случае два отдаленных участка связаны коротким проходом. Теория суперструн позволяет не только это, но и соединение отдаленных точек параллельных миров. Возможен даже переход между вселенными с разными законами физики.
Однако вероятен вариант, когда квантовая теория гравитации сделает их существование невозможным. Многие физики считают, что голографический принцип, когда вся информация, содержащаяся в объеме пространства, соответствует информации, записанной на его поверхности, позволит глубже понять концепцию энергетических нитей. Некоторые полагают, что теория суперструн позволяет множественность измерений времени, следствием чего может быть путешествие через них.
Кроме того, в рамках гипотезы существует альтернатива модели большого взрыва, согласно которой наша вселенная появилась в результате столкновения двух бран и проходит через повторяющиеся циклы создания и разрушения. Конечная судьба мироздания всегда занимала физиков, и окончательная версия теории струн поможет определить плотность материи и космологическую константу. Зная эти значения, космологи смогут установить, будет ли вселенная сжиматься до тех пор, пока не взорвется, чтобы все началось снова.
Теория струн рассматривает вселенную с точки зрения этой абсолютной вибрации энергии а существование материальной вселенной лишь побочный эффект. Но повторюсь, вероятней всего я не прав. Советую почитать Стивена Хокинга, он пытался по простому объяснить основы данной теории.
Исследователи из Университета Южной Калифорнии предприняли попытку объяснить происхождение принципа неопределенности в квантовой механике, выведя его из струнной теории поля. Квантовая механика представляет собой основу современной физики микромира и при всей своей парадоксальности прекрасно работает во всех известных ее разделах. Более того, из нее можно вывести и классическую физику как предел квантовой механики, устремляя к нулю постоянную Планка h, определяющую за квантовые явления. Так что можно говорить о всеобщности законов квантовой механики.
Но, несмотря на огромный успех, у нее есть существенный недостаток. Один из краеугольных камней квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга например, неопределенность в определении положения и импульса , не имеет никаких обоснований. Разумеется, практический успех — достаточное оправдание, чтобы принять это таинственное правило, но это не останавливает поисков физиками его объяснения.
Теория струн: кратко и понятно о сложном. В чем она заключается?
Теория струн кратко и понятно. В начале XX века учёные, благодаря классической физике, считали, что поняли, как устроен мир. Теория струн в принципе может нам это объяснить, и вывести параметры элементарных частиц и их взаимодействий через фундаментальные физические константы типа скорости света или постоянной Планка. Теория струн. Кратко и понятно. В связи с этим видео возникла ассоциация с фразой из Библии о том, что во время Апокалипсиса "небеса свернутся, как свиток". В своей основе Теория струн отрицает теорию Большого взрыва и утверждает, что Вселенная существовала всегда. Почта Мой МирОдноклассникиВКонтакте Игры Знакомства Новости Поиск Облако VK Combo Все проектыВсе проекты. Теория струн расширила симметрию до суперсимметрии, из которой следовало, что моды колебаний струны реализуются парами суперпартнёров, спин которых отличается на.
Теория суперструн популярным языком для чайников
Даже теория струн придерживается того, что временное измерение только одно. Все остальные пространственные. Но почему пространство такое гибкое, а время лишь одно? Ответа на этот вопрос сейчас нет. Вы уже и сами поняли, как трудно представить несколько лишних пространственных измерений, поэтому даже подумать сложно, как могут ощущаться несколько временных. Некоторые ученые, как, например, Ицхак Барс, американский астрофизик, считают, что главной проблемой несостыковок в теории суперструн является как раз-таки игнорирование нескольких временных измерений. Давайте устроим себе разминку для ума и попробуем представить хотя бы два времени. После нескольких страниц мозговыносящего текста устраивать разминку для ума будет сложно, понимаю, но это интересно. Оба временных измерения должны существовать отдельно друг от друга.
Таким образом, если поменять положение объекта в одной из размерностей, его координаты в другой вполне могут остаться неизменными. То есть, если одно временное измерение пересечется с другим в определенной точке, то время в ней остановится вовсе. Наглядную картину этого показывает нам Нео из матрицы: По сути наш избранный просто поставил временную ось своей ладони перпендикулярно такой же оси летящих пуль. И все, время остановилось. На деле же все не так просто. Как вообще будет идти время в такой Вселенной? Исходя из логики, хотя, говоря о Теории Всего логику вообще лучше не упоминать, одно событие должно происходить два раза… одновременно… в разных точках пространства и времени… не пересекаясь… Да, это сложно. Вы все еще можете пойти поиграть в Dark Souls на банане.
Если по-простому, то вы будете жить одновременно в двух отрезках времени на этом строится вся суть фильма «Господин Никто», о котором я упоминал в начале. Как вообще 2D-пространство отличается от одномерного? Вы уже знаете, мы говорили об этом чуть выше: возможностью обходить препятствия. В двумерном пространстве можно двигаться как вверх-вниз, так и вперед-назад, даже по диагонали. Представьте себе любую игру-платформер, как, например, Mario, и вспомните, в каких направлениях вы могли там двигаться. В одномерном же пространстве мы можем двигаться только вперед или назад. Со временем все то же самое. Отличие одномерного времени от одномерного пространства лишь в том, что это луч, а не отрезок.
И движется он только вперед, а значит назад во времени мы идти не можем. А что с двумерным временем? Не знаю, может вы можете представить, каково это, пересекать время по диагонали? Струны Если вы до сих пор это читаете, то наверняка уже много раз задавались вопросом, когда уже будет что-нибудь про струны. Хоть мое объяснение и для чайников, это все же объяснение. Просто рассказать, что такое струны, было бы неправильно, да и теория в основном базируется именно на измерениях. И, чтобы наконец добраться до струн, нам придется хотя бы попытаться представить эти измерения. О первых четырех вы уже имеете представление.
Грубо говоря, первые три измерения, это некая точка в четвертом. А точка, как известно, измерений не имеет. То есть с точки зрения времени, вы и весь сегодняшний день — лишь точка на временном луче. Что есть пятое измерение? Аналогично тому, как мы сворачиваем условно двумерный лист бумаги, чтобы придать ему объем то есть третье измерение , нам придется «согнуть» четвертое, чтобы получить пятое. Да, нам нужно согнуть время, а вместе с ним, естественно и наше трехмерное пространство, ведь одно без другого никуда. Делаем мы это для того, чтобы свести две временные точки вместе. Путешествие во времени, скажете вы — пятое измерение, отвечу я.
По сути мы просто помещаем наше одномерное время на двумерную временную плоскость. Таким образом у нас получается два отрезка в пятом измерении, в которых живет наш избранный Нео. Об этом мы и говорили чуть выше, описывая двумерное время. Но как же нам перемещаться между этими отрезками, если мы живем в них одновременно? В пяти измерениях никак.
Все струны одинаковы, а все наблюдаемые частицы и кванты полей суть различные типы колебаний этих струн. Струна принципиально не может иметь размер меньше планковской длины. В теории точечных частиц физики привыкли, что чем больше энергия частицы, тем в меньшей области пространства частица может быть локализована. Совсем иное дело со струнами: дополнительная энергия приводит не к уменьшению, а к увеличению размера струны. Поэтому расстояние, которое меньше планковской длины, принципиально недостижимо. Струны бывают открытыми и замкнутыми. И те и другие имеют определённые устойчивые формы колебаний — моды. Механическая аналогия: зажимая по-разному скрипичные струны, можно извлекать самые разные звуки.
Как появилась теория струн Ученые наблюдали за столкновениями частиц на ускорителях и заметили, что в результате реакций возникали целые семьи частиц. Все выглядело так, будто различные разные частицы внутри одной семьи вели себя, как различные гармоники струны. Одним из первых придал этому наблюдению математическую форму итальянский физик Габриэле Венециано. Тогда, в 1960-х годах, исследователи пытались найти теорию, которая бы точно предсказывала спектр масс частиц в обсуждаемых семьях. К сожалению, полного сходства с реальностью не получалось. Однако ученые заметили, что в спектре струны возникали частицы, которые имели те же свойства, что и фотоны в случае открытой струны , и гравитоны в случае замкнутой струны. Так и возникла идея попробовать применить создаваемую теорию для описания гравитации и других фундаментальных теорий, а не к описанию поведения адронов — частиц, возникающих в ядерных реакциях. Футурология Загадочные частицы: что ученые знают о космических лучах Как теория струн стала «теорией всего» Где-то к началу 1980-х ученые поняли, что теория струн, изначально придуманная для описания взаимодействий адронов, имеет более фундаментальный характер. Тогда и началась так называемая «струнная революция». Около 20 лет эта концепция была основным локомотивом развития фундаментальной физики. Существовала надежда, что она объяснит не только природу всех элементарных частиц, но и размерность того пространства-времени, в котором мы живем. Важно также, что появлялся единый общий взгляд на все существующие типы частиц. Однако не все чаяния оправдались, поэтому где-то в 2000-х годах интерес к теории струн начал угасать, и сейчас ажиотаж стих.
Трудность заключается в том, что нет никаких экспериментальных данных по теории струн. Эксперименты на таких маленьких масштабах в настоящее время за пределами технических возможностей науки. Из-за этого целый ряд физиков даже полагает теорию струн лишь «математическими фокусами». Но до сих пор исследователи исходили из того, что теория струн создана в соответствии с квантовой механикой и работали только в направлении использования квантовой механики для попыток проверки струнной теории поля. Авторы данной работы решили поступить наоборот. Предположив, что струнная теория поля верна, они использовали ее, чтобы попытаться подтвердить саму квантовую механику. В работе, которая переформулирует струнную теорию поля на более ясном языке, Ицхак Барс и Дмитрий Рычков показали, что набор фундаментальных принципов квантовой механики, известных как «правила коммутации» принципы неопределенности , могут быть получены из геометрии слияния и расщепления струн.
Теория суперструн популярным языком для чайников
Это был настоящий "Демографический Взрыв" элементарных частиц. Аспиранты физических вузов бегали по коридорам с криками, что открыли новую частицу, - не хватало даже букв для их обозначения. Но, увы, в "Родильном Доме" новых частиц ученые так и не смогли отыскать ответ на вопрос - зачем их так много и откуда они берутся? Это подтолкнуло физиков к необычному и потрясающему предсказанию - они поняли, что силы, действующие в природе, также можно объяснить с помощью частиц. То есть существуют частицы материи, а есть частицы - переносчики взаимодействий.
Таковым, например, является фотон - частица света. Чем больше этих частиц - переносчиков - тех же фотонов, которыми обмениваются частицы материи, тем ярче свет. Ученые предсказывали, что именно этот обмен частицами - переносчиками - есть не что иное, как то, что мы воспринимаем как силу. Это подтвердилось экспериментами.
Так физикам удалось приблизиться к мечте Эйнштейна по объединению сил. Ученые считают, что если мы перенесемся к моменту сразу после большого взрыва, когда вселенная была на триллионы градусов горячее, частицы - переносчики электромагнетизма и слабого взаимодействия станут неразличимы и объединятся в одну - един ственную силу, называемую электрослабой. А если вернуться во времени еще дальше, то электрослабое взаимодействие соединилось бы с сильным в одну суммарную "Суперсилу". Несмотря на то, что все это еще ждет своих доказательств, квантовая механика вдруг объяснила, как три из четырех сил взаимодействуют на субатомном уровне.
Причем объяснила красиво и непротиворечиво. Эта стройная картина взаимодействий, в конечном счете, получила название стандартной модели. Но, увы, и в этой совершенной теории была одна большая проблема - она не включала в себя самую известную силу макроуровня - гравитацию. Для не успевшей "Расцвести" теории струн наступила "осень", уж слишком много проблем она содержала с самого рождения.
Например, выкладки теории предсказали существование частиц, которых, как точно установили вскоре, не существует. Это так называемый тахион - частица, которая движется в вакууме быстрее света. Помимо прочего выяснилось, что теория требует целых 10 измерений. Неудивительно, что это очень смущало физиков, ведь это очевидно больше, чем то, что мы видим.
К 1973 году только несколько молодых физиков все еще боролись с загадочными выкладками теории струн. Одним из них был американский физик - теоретик Джон Шварц. В течение четырех лет Шварц пытался приручить непослушные уравнения, но без толку. Помимо других проблем, одно из этих уравнений упорно описывало таинственную частицу, которая не имела массы и не наблюдалась в природе.
Ученый уже решил забросить свое гиблое дело, и тут его осенило - может быть, уравнения теории струн описывают, в том числе, и гравитацию? Впрочем, это подразумевало пересмотр размеров главных "Героев" теории - струн. Предположив, что струны в миллиарды и миллиарды раз меньше атома, "Струнщики" превратили недостаток теории в ее достоинство. Таинственная частица, от которой Джон Шварц так настойчиво пытался избавиться, теперь выступала в качестве гравитона - частицы, которую долго искали и которая позволила бы перенести гравитацию на квантовый уровень.
Именно так теория струн дополнила пазл гравитацией, отсутствующей в стандартной модели. Но, увы, даже на это открытие научное сообщество никак не отреагировало. Теория струн оставалась на грани выживания. Но Шварца это не остановило.
Присоединиться к его поискам захотел только один ученый, готовый рискнуть своей карьерой ради таинственных струн - Майкл Грин. Субатомные матрешки. Несмотря ни на что, в начале 1980-х годов теория струн все еще имела неразрешимые противоречия, называемые в науке аномалиями. Шварц и Грин принялись за их устранение.
И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Каково же было изумление этих двоих, уже привыкших к тому, что их теорию пропускают мимо ушей, когда реакция ученого сообщества взорвала научный мир. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек. Именно тогда теорию струн наградили титулом теории всего.
Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания. И вот эти составляющие. Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц - электронов, которые кружатся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц - кварков.
Но теория струн утверждает, что на кварках дело не заканчивается. Кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны. Каждая из таких струн невообразимо мала. Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров солнечной системы, струна была бы размером с дерево.
Так же, как различные колебания струны виолончели создают то, что мы слышим, как разные музыкальные ноты, различные способы моды вибрации струны придают частицам их уникальные свойства - массу, заряд и прочее. Знаете, чем, условно говоря, отличаются протоны в кончике вашего ногтя от пока не открытого гравитона? Только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются. Конечно, все это более чем удивительно.
Еще со времен древней Греции физики привыкли к тому, что все в этом мире состоит из чего-то вроде шаров, крошечных частиц. И вот, не успев привыкнуть к алогичному поведению этих шаров, вытекающему из квантовой механики, им предлагается вовсе оставить парадигму и оперировать какими-то обрезками спагетти. Как устроен мир. Науке сегодня известен набор чисел, которые являются фундаментальными постоянными вселенной.
Так возникло понятие «квантовая струна» — под ним подразумевается бесконечно тонкие одномерные объекты длиной в 10—35 м, колебания которых воспроизводят все многообразие элементарных частиц. Это была настоящая революция в мире физики, так как все ранее открытые «ингредиенты Вселенной» электроны, протоны, нейтроны и пр. Струны более массивных частиц совершают более интенсивные колебания, а струны более легких частиц колеблются менее интенсивно.
В конечном итоге колебания на определенной частоте определяют свойства струн: массу и электрический заряд, что позволяет отнести их к определенной разновидности фундаментальных частиц, будь то кварк, фотон, глюон и др. Уровни строения мира. Макроскопический — вещество.
Атомный — протоны, нейтроны и электроны. Субатомный — электрон. Субатомный — кварки.
Струнный Предположения и прогнозы Теория основана на двух предположениях: Основными строительными блоками Вселенной будут не точечные частицы, а разновидности вибрирующих шнуров с натяжением , подобных резиновой ленте. То, что мы воспринимаем как частицы с разными характеристиками массой , электрическим зарядом и т. Таким образом, разные типы струн, колеблющиеся с разной частотой, лежат в основе всех элементарных частиц нашей Вселенной.
С этой гипотезой теоретики струн допускают минимальный масштаб, связанный с размером Планка , и, таким образом, легко избегают появления определенных бесконечных величин «расходимостей» , которые неизбежны в обычных квантовых теориях поля. Вселенная будет содержать более трех пространственных измерений. Некоторые из них, свернутые сами по себе теории Калуцы — Клейна , остаются незамеченными на наших шкалах с помощью процедуры, называемой размерной редукцией.
Исходя из этих предположений, теория струн предсказывает, что: Гравитон , бозон то есть посредник от силы тяжести , будет частицей спины 2 и нулевой массы в соответствии с квантовой физикой. Его струна имеет нулевую амплитуду волны. Общие концепции теорий Бранес -Брана , или , точнее , р-браны, является расширенным объектом в теории струн.
Р это число пространственных измерений , в которых -брана расширяется. К этому числу необходимо добавить временное измерение, чтобы получить общее количество измерений. Например, 1-брана — это брана только с одним пространственным измерением, но всего с двумя измерениями.
Следовательно, они соответствуют поверхностям вселенной. Несколько космологических моделей возникло в результате введения бран в теорию струн. Общая идея бранарной космологии состоит в том, что наша Вселенная ограничена 4-браной.
Это означает, что частицы материи кварки , электроны и т. И фундаментальные взаимодействия, отличные от гравитации переносимые частицами, такими как фотон , глюон и т. Также в рамках модели Большого взрыва недавно была предложена идея, как альтернатива космической инфляции, описывающая самые первые моменты истории Вселенной , экпиротическая модель.
В этой модели начальное расширение происходит из-за столкновения браны и антибраны, которая высвобождает энергию, необходимую для расширения Вселенной. Эта модель предсказывает возможность других столкновений, которые приведут к другим Большим взрывам. Тем не менее, это не вызывает единодушия в сообществе космологов, и космическая инфляция остается механизмом, который в основном рассматривается для описания первых моментов.
Дополнительные размеры Пример пространства Калаби-Яу.
Эта недоказанная теория в физике элементарных частиц объединяет квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна. Некоторые физики считают, что при объединении квантовой физики и гравитации в одну именно у этой теории больше всего шансов стать "теорией всего" гипотетический фундамент, который объясняет абсолютно все физические явления. Однако есть и другие учёные, которые думают, что она является почти псевдонаукой, поскольку её практически невозможно проверить экспериментальным путём. Теория суперструн Теория суперструн — это сокращение от "суперсимметричная теория струн"; это ещё одна версия теории струн, которая для моделирования гравитации: учитывает фермионы частица с полуцелым значением спина , учитывает бозоны частица с целым значением спина , включает суперсимметрию связь между фермионами и бозонами. Теория струн — это общее название всей области. Главное теоретическое отличие между теорией струн и теорией суперструн заключается в существовании суперсимметрии.
Варианты теории струн Вместо одной теории, которая объясняет всё во Вселенной, на данный момент существуют целых пять теорий струн. Различия между этими теориями очень сложны математически.
От пяти теорий к одной Теория струн оказалась крепким орешком даже для самых высоколобых ученых. В 1970-е и 1980-е теория струн была очень популярна.
За нее брались разные ученые, и в результате родилось несколько разновидностей. Одни авторы придумали гипотетическую частицу — тахион, которая якобы двигается в вакууме быстрее скорости света. Другие изобрели суперсимметрию, предположив, что у всех известных элементарных частиц есть суперпартнеры, что фермионы и бозоны в природе связаны. Третьи попытались гипотетически подсчитать, сколько измерений может быть у Вселенной и как они могут быть свернуты.
Дело в том, что теория струн сама по себе требует, чтобы Вселенная, кроме трех привычных пространственных измерений и одного временного, имела еще как минимум шесть. Поэтому во многих вариантах фигурировало десять измерений, а потом пришлось ввести еще одно, чтобы объединить все пять теорий струн в единую М-теорию, где заглавная М означает «мистическая, материнская, мембранная, матричная». Сделал это обобщение американский физик-теоретик Эдвард Виттен. Он, к слову, до сих пор жив и здоров, как и начавший собирать этот научный пазл Габриеле Венециано.
Это невероятное разнообразие идей о математике и физике, — восторженно пишет о своем детище Эдвард Виттен. Гравитация, о которой догадался еще Ньютон, никак не укладывалась в стандартную модель физики. Разбирая мир до микрочастиц, ученым приходилось делать вид, будто нет никакой силы притяжения между звездами, галактиками, планетами и Солнцем. Теория струн стала вмиг популярна, потому что она выступила объединяющим мостиком между квантовой механикой и общей теорией относительности, которые имели противоречия и никак не могли ужиться друг с другом.
Объяснить все и сразу — это была давняя мечта Эйнштейна и многих других ученых, осознававших, что существующие теории не решают всех загадок макро- и микромира. Некоторые даже думали, что все законы физики возможно объяснить одним уравнением — осталось лишь догадаться, что это за формула. Почти приблизились к этому Джоэль Шерк и Джон Шварц. Позже они с обидой говорили, что теория струн изначально потерпела неудачу потому, что физики недооценили ее масштаб.
В чем ценность теории струн? Что такое теория струн простым языком? Если взглянуть на нее в целом и не вдаваться в детали, это попытка посмотреть на все, что мы знаем и видим, под другим ракурсом. До появления теории струн не было глобальных попыток пересмотреть уже устоявшиеся, общепринятые нормы.
Физики стали все чаще предполагать, что микрочастицы действительно могут быть в миллиарды раз меньше электронов и пусть даже они не похожи на струны. Мы задумались над существованием других измерений, о чем, правда, еще в 1919-м году писал немец Теодор Калуца, а Альберт Эйнштейн считал его предположение заслуживающим внимания. Далее эту идею развил шведский ученый Оскар Клейн, который представил, что невидимое для нас измерение может быть свернуто в микромасштабе. По сути, именно эта идея и легла в основу теории струн.
В общем, физики стали смотреть на постулаты немного иначе. Пусть даже эта работа не будет напрямую связана с теорией струн. Кроме того, не забывайте, что в рамках теории струн действительно удалось увязать объяснения для всех явлений, процессов и объектов, наблюдаемых во вселенной. И пусть в ней еще много нестыковок, это дорогого стоит.
Сейчас ученые пытаются усовершенствовать теорию, из-за чего базовая теория струн получила несколько ответвлений.
Что такое теория струн
В такой ситуации струны не только не редкость, а скорее закономерность. Как бы это ни было парадоксально, но причиной появления этих образований является трехмерность нашего пространства. Бывают и более сложные, а значит и более интересные причины появления струны — динамические. Примером такой струны является простейшая модель мезона, упомянутая выше.
Стоит заметить, что задача о струне с натяжением, на концах которой закреплены точечные массы, а именно так и выглядит в струнной терминологии простейшая модель мезона, до настоящего времени полностью не решена в силу возникающих при ее решении математических сложностей. Говоря о струнах в физике, нельзя не обратиться и к несколько более спекулятивному понятию фундаментальной струны. Это понятие связано, в первую очередь, со сценариями объединения фундаментальных взаимодействий электромагнитного, слабого, сильного и гравитационного.
Тут полезно будет напомнить, что три из них исключая гравитационное , удовлетворительно описываются стандартной моделью, которая объединила в себе теорию электрослабого взаимодействия Вайнберга — Салама объединение электромагнитного и слабого взаимодействий и квантовую хромодинамику теорию сильного взаимодействия. Про гравитацию на настоящий момент мы знаем только то, что есть классическая теория гравитации — Общая Теория Относительности ОТО , и что наши наблюдательные возможности не позволяют нам наблюдать ни эффектов квантовой гравитации, ни наличие каких либо поправок к предсказаниям ОТО. То есть, с точки зрения физического метода тут царит полная гармония.
А именно, имеющаяся теория полностью соответствует имеющемуся эксперименту. Тут надо ждать новых экспериментов, результаты которых разойдутся с теорией. Тогда появится необходимость эту теорию исправлять.
Заметим, что это одна из надежд, по-прежнему возлагаемых по настоящий момент на Большой Адронный Коллайдер. Таким образом, при обсуждении проблем, связанных с созданием теории Великого Объединения, в современной физике можно проследить следующие направления. Либо ее признаки содержатся в стандартной модели, либо их надо усматривать в Общей Теории Относительности.
Попробуем разобраться в этой ситуации. Можно было бы предположить, что на место стандартной модели на более фундаментальном уровне придет какая-то модель великого объединения, обладающая более высокими внутренними симметриями, или, большинство полей стандартной модели окажутся чем-то вроде частиц, составленных их полей какой-то иной, более фундаментальной природы. Однако, попытки найти подобное построение в рамках принятой локальной теории, в которой все частицы являются точечными, с неизбежностью приводит к существованию в такой теории ультрафиолетовой высокоэнергетической бесконечности, природа, которой заключена именно в точечности фундаментальных объектов.
Поэтому, все с той же необходимостью, приходим к утверждению, что современная стандартная модель есть не что иное, как низкоэнергетический предел какой-то более универсальной модели. Формальным подтверждением этого является известный факт, что все динамические уравнения обсуждаемой модели являются дифференциальными уравнениями второго порядка. Этот факт известен любому, кто изучал физику хотя бы в объеме средней школы.
И он получает свое логическое объяснение, если признать, что фундаментального закона природы тут просто нет, а есть описание низкоэнергетического приближения к этому закону. Другими словами, ключевые свойства стандартной модели являются серьезнейшим указанием на ее нефундаментальность — фундаментальную теорию надо искать где-то в другом месте. Возможно, что направление этих поисков может указать нам гравитация.
Попробуем проанализировать ситуацию, связанную с основными проблемами этой теории. Основные проблемы данной теории можно охарактеризовать следующим образом. Во-первых, это проблемы чисто математического характера.
Эти проблемы связаны с сильной нелинейностью уравнений поля — уравнений Эйнштейна. В связи с этой нелинейностью становится весьма проблематичным не только решение этих уравнений, но и совмещение полученных решений этих уравнений с принципом суперпозиции сумма решений уравнений тоже является их решением.
Во-вторых, понятие T-дуальности, то есть дуальности малых и больших радиусов в его тесной связи с существованием минимального размера в теории струн, имеет значение и в космологии. В-третьих, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырёх, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений.
Модель Бранденберга и Вафы[ ] В конце 1980-х гг. Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа сделали первые важные шаги к пониманию того, к каким изменениям в следствиях из стандартной космологической модели приведет использование теории струн. Они пришли к двум важным выводам. Во-первых, по мере движения назад к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до момента, когда размеры Вселенной по всем направлениям сравняются с планковской длиной.
В этот момент температура достигнет максимума и начнёт уменьшаться. На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления. Предположим для простоты следуя Бранденбергеру и Вафе , что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается.
Из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. Поскольку температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению роста температуры и её дальнейшему снижению. В результате Бранденбергер и Вафа пришли к следующей космологической картине: сначала все пространственные измерения в теории струн плотно свернуты до минимальных размеров порядка планковской длины. Температура и энергия высоки, но не бесконечны: парадоксы начальной точки нулевого размера в теории струн решены.
В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения теории струн совершенно равноправны и полностью симметричны: все они свернуты в многомерный комок планковских размеров. Далее, согласно Бранденбергеру и Вафе, Вселенная проходит первую стадию понижения симметрии, когда в планковский момент времени три пространственных измерения отбираются для последующего расширения, а остальные сохраняют исходный планковский размер. Затем эти три измерения отождествляются с измерениями в сценарии инфляционной космологии и в процессе эволюции принимают наблюдаемую теперь форму. Модель Венециано и Гасперини[ ] После работы Бранденбергера и Вафы физики непрерывно продвигаются вперёд к пониманию струнной космологии.
В числе тех, кто идет во главе этих исследований — Габриэле Венециано и его коллега Маурицио Гасперини из Туринского университета. Эти учёные представили свой вариант струнной космологии, который в ряде мест соприкасается с описанным выше сценарием, но в других местах принципиально отличается от него. Как Бранденбергер и Вафа, для исключения бесконечной температуры и плотности энергии, которые возникают в стандартной и инфляционной модели, они опирались на существование минимальной длины в теории струн. Однако вместо вывода о том, что в силу этого свойства Вселенная рождается из комка планковских размеров, Гасперини и Венециано предположили, что существовала доисторическая вселенная, возникшая задолго до момента, который называется нулевой точкой, и породившая этот космический « эмбрион » планковских размеров.
Исходное состояние Вселенной в таком сценарии и в модели Большого взрыва очень сильно различаются. Согласно Гасперини и Венециано, Вселенная не являлась раскаленным и плотно скрученным клубком измерений, а была холодной и имела бесконечную протяженность. Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все её точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны. Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось всё более искривлённым и в результате произошел резкий скачок температуры и плотности энергии.
Прошло немного времени, и трёхмерная область миллиметровых размеров внутри этих бескрайних просторов преобразилась в раскалённое и плотное пятно, тождественное пятну, которое образуется при инфляционном расширении по Гуту. Затем все пошло по стандартному сценарию космологии Большого взрыва , и расширяющееся пятно превратилось в наблюдаемую Вселенную. Поскольку в эпоху до Большого взрыва происходило своё инфляционное расширение, решение парадокса горизонта, предложенное Гутом, оказывается автоматически встроенным в этот космологический сценарий. По выражению Венециано в интервью 1998 г.
Изучение струнной космологии быстро становится областью активных и продуктивных исследований. Например, сценарий эволюции до Большого взрыва уже не раз был поводом горячих споров, а его место в будущей космологической формулировке далеко не очевидно. Однако нет сомнений, что эта космологическая формулировка будет твёрдо опираться на понимание физиками результатов, открытых во время второй суперструнной революции.
Оказывается, количество таких вариантов поистине огромно. Считается, что их число составляет как минимум 10100 , вероятнее — около 10500; не исключено, что их вообще бесконечное число [58]. В течение 2005 года неоднократно высказывались предположения [59] , что прогресс в этом направлении может быть связан с включением в эту картину антропного принципа [60] : человек существует именно в такой Вселенной, в которой его существование возможно. Вычислительные проблемы С математической точки зрения ещё одна проблема состоит в том, что, как и квантовая теория поля , большая часть теории струн всё ещё формулируется пертурбативно в терминах теории возмущений [61]. Несмотря на то, что непертурбативные методы достигли за последнее время значительного прогресса, полной непертурбативной формулировки теории до сих пор нет. Данный результат, по всей видимости, заставит пересмотреть внешние параметры струнных теорий [63] [64] [65].
Текущие исследования Изучение свойств чёрных дыр В 1996 г. В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определённого класса чёрных дыр [66] , а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию. Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений , которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого. Реальным процессам образования чёрных дыр Строминджер и Вафа противопоставили конструктивный подход [2]. Суть в том, что они изменили точку зрения на образование чёрных дыр, показав, что их можно конструировать путём кропотливой сборки в один механизм точного набора бран , открытых во время второй суперструнной революции. Строминджер и Вафа смогли вычислить число перестановок микроскопических компонентов чёрной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, например масса и заряд , остаются неизменными. Тогда энтропия этого состояния по определению равна логарифму полученного числа — числа возможных микросостояний термодинамической системы. Затем они сравнили результат с площадью горизонта событий чёрной дыры — эта площадь пропорциональна энтропии чёрной дыры, как предсказано Бекенштейном и Хокингом на основе классического понимания [2] , — и получили идеальное согласие [67].
По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии. Это открытие оказалось важным и убедительным аргументом в поддержку теории струн. Разработка теории струн до сих пор остаётся слишком грубой для прямого и точного сравнения с экспериментальными результатами, например, с результатами измерений масс кварков или электрона. Теория струн, тем не менее, даёт первое фундаментальное обоснование давно открытого свойства чёрных дыр, невозможность объяснения которого многие годы тормозила исследования физиков, работавших с традиционными теориями. Даже Шелдон Глэшоу , Нобелевский лауреат по физике и убеждённый противник теории струн в 1980-е гг. Данный подход впервые использован в работах Габриэле Венециано [68] , который показал, каким образом инфляционная модель Вселенной может быть получена из теории суперструн. Инфляционная космология предполагает существование некоторого скалярного поля , индуцирующего инфляционное расширение. В струнной космологии вместо этого вводится так называемое дилатонное поле [69] [70] , кванты которого, в отличие, например, от электромагнитного поля , не являются безмассовыми , поэтому влияние данного поля существенно лишь на расстояниях порядка размера элементарных частиц или на ранней стадии развития Вселенной [71]. Существует три основных пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель.
Во-первых, в духе современных исследований, всё более проясняющих ситуацию, из теории струн следует, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер. Этот вывод меняет представление о структуре Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва , для которого в стандартной модели получается нулевой размер Вселенной.
Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей. Теория струн кратко и понятно стивен Хокинг.
Кратко и понятно о теории струн Теория струн - это одна из самых прогрессивных теорий современной физики, претендующая на звании "теории всего", то есть такой теории, которая способна объяснить сущность мироздания на самом фундаментальном уровне. Сегодня эта теория является главной темой большинства научно-популярных передач и книг по физике. Она не дает покоя всем людям, интересующимся наукой на любительском и профессиональном уровне. Разобраться в ней крайне сложно даже самим физикам.
И тем не менее, давайте все-таки попытаемся понять в чем же суть и величии данной теории. Но для этого нам придется отправится на несколько веков назад в историю науки… Яблоко здесь ни при чем Еще в XVII веке величайший ученый, чье имя известно всем и каждому - Исаак Ньютон, заложил основы классической механики. Он показал, что есть некое абсолютное, неизменное пространство и время, в рамках которых протекают все процессы. Ньютон даже вывел три закона, объясняющие как именно функционирует наш мир, показал как работает сила притяжения гравитация.
Однако, не сумел объяснить ее суть… Так вот почему он показывал всем язык! В начале XX века другой, не менее известный и гениальный ученый Альберт Эйнштейн решил завершить дело, начатое Ньютоном - объяснить что есть гравитация. Но в ходе своих исследований Эйнштейн увидел, что не только сущность гравитации представляет собой серьезную проблему, но и сами пространство и время не являются такими уж абсолютными и неизменными. В этом и заключается Теория относительности: пространство и время могут изменяться, искривляться и происходит это под действием массы тела, а также во многом зависит от скорости движения объекта чем ближе к скорости света, тем медленнее идет время.
Отсюда был сделан вывод и о гравитации: гравитация есть не какая-то загадочная "сила притяжения", а всего лишь навсего искривление пространства! Так, Ньютон показал как функционирует механика в нашем, земном мире, Эйнштейн объяснил по каким законам живет космос. И все бы ничего, но тут в дело вмешалась квантовая физика… Квантовое безобразие Ученые от квантовой физики, в свою очередь, совсем не кстати для Эйнштейна, показали, что свои, совершенно особые законы действуют не только в макромире космосе , но и в микромире. А самый главный ночной кошмар физиков заключается в том, что законы макромира теория относительности и законы микромира квантовая механика друг с другом не сочетаются и даже взаимно исключают друг друга.
Но ведь они есть! И макромир и микромир как-то же сосуществуют в нашей физической реальности! А значит что-то не так с научными теориями, неспособными объяснить это противоречие. Так начались поиски новой теории, способной объяснить и воссоединить "и то, и другое" теорию относительности и квантовую механику.
Вселенская гармония Именно такой теорией сегодня и может стать теория струн. Именно она способна "примирить" фундаментальные физические противоречия. Так в чем же ее смысл? Согласно теории струн, в основе нашего мира лежат некие практические безмерные элементы "струны" , которые несоизмеримо меньше даже атомного ядра и запрятаны в потаенных измерениях пространства согласно теории струн, пространство может иметь 10 и более измерений.
Вибрации этих "струн" порождают все известные нам элементарные частицы. Далее в дело вступает математика, которая на языке формул снимает противоречие между теорией относительности и квантовой механикой. Логика примерно такая: так как в пространстве около 10 измерений, в которых "запрятаны" струны, то оно действительно может искривляться во все стороны, порождая не только гравитацию, но и саму вибрацию этих струн, что в свою очередь порождает элементарные частицы и все движения в микромире. Есть над чем подумать Это, пожалуй, примерно и есть тот максимум, который может осознать среднестатистический человек, не прибегая к сложным математическим формулам и неукладываемым в голове физическим понятиям.
Стоит отметить, что сегодня не только теория струн претендует на звание "теории всего", и как же разрешится в итоге этот фундаментальный физический парадокс несовместимость теории относительности и квантовой механики покажет лишь время и новые гении. Хочется лишь надеяться, что произойдет это на нашем веку. Теория струн и петлевой квантовой теории гравитации. Что было до Большого взрыва и откуда взялось время?
В теории квантовой гравитации привычное нам гладкое и непрерывное пространство на сверхмалых масштабах оказывается структурой с очень сложной геометрией изображение с сайта www. Однако недавно в рамках петлевой квантовой гравитации всё же удалось проследить эволюцию упрощенной модели Вселенной назад во времени, вплоть до момента Большого взрыва, и даже заглянуть за него. Попутно выяснилось, как именно в этой модели возникает время. Наблюдения за Вселенной показывают, что и на самых больших масштабах она вовсе не неподвижна, аэволюционирует с течением времени.
Если на основе современныхтеорий проследить эту эволюцию назад во времени, то окажется, что наблюдаемая ныне часть Вселенной была раньше горячее и компактнее, чем сейчас, а начало ей далБольшой взрыв— некий процесс возникновения Вселенной из сингулярности: особой ситуации, для которой современные законы физики неприменимы. Физиков такое положение вещей не устраивает: им хочется понять и сам процесс Большого взрыва. Именно поэтому сейчас предпринимаются многочисленные попытки построитьтеорию, которая была бы применима и к этой ситуации. Поскольку в первые мгновения после Большого взрыва самой главной силой была гравитация, считается, что достичь этой цели возможно только в рамках непостроенной пока квантовойтеории гравитации.
Одно время физики надеялись, что квантовая гравитация будет описана с помощьютеории суперструн, нонедавний кризиссуперструнныхтеорий поколебал эту уверенность. В такой ситуации больше внимания стали привлекать иные подходы к описанию квантовогравитационных явлений, и в частности, петлевая квантовая гравитации. Именно в рамках петлевой квантовой гравитации недавно был получен очень впечатляющий результат. Оказывается, из-за квантовых эффектов начальная сингулярность исчезает.
Большой взрыв перестает быть особой точкой, и удается не только проследить его протекание, но и заглянуть в то, что было до Большого взрыва. Краткое описание этих результатов было недавно опубликовано в статье A. Ashtekar, T. Pawlowski, P.
Петлевая квантовая гравитация принципиально отличается от обычных физическихтеорий и даже оттеории суперструн. Объектамитеории суперструн, к примеру, являются разнообразные струны и многомерные мембраны, которые, однако, летают в заранее приготовленном для них пространстве и времени. Вопрос о том, как именно возникло это многомерное пространство-время, в такойтеории не решишь. В петлевойтеории гравитации главные объекты — маленькиеквантовые ячейки пространства, определенным способом соединенные друг с другом.
Законом их соединения и их состоянием управляет некоторое поле, которое в них существует. Величина этого поля является для этих ячеек неким « внутренним временем »: переход от слабого поля к более сильному полю выглядит совершенно так, как если бы было некое «прошлое», которое бы влияло на некое «будущее». Закон этот устроен так, что для достаточно большой вселенной с малой концентрациейэнергии то есть далеко от сингулярности ячейки как бы «сплавляются» друг с другом, образуя привычное нам «сплошное» пространство-время.
Что такое Теория струн и существует ли 10-ое измерение
| Теория струн кратко и понятно. Теория струн для чайников. | одна из наиболее восхитительных и глубоких теорий в современной теоретической физике. |
| Что такое теория струн и может ли она открыть дверь в другие измерения | РБК Тренды | это активная исследовательская платформа в области физики элементарных частиц, которая пытается согласовать квантовую механику и общую теорию относительности. |
| Популярно о теории струн | Теория струн основана на идее физики о том, что все известные силы, частицы и взаимодействия могут быть связаны. |
| Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи | •Краткая история теории струн. |
| Вы точно человек? | В своей основе Теория струн отрицает теорию Большого взрыва и утверждает, что Вселенная существовала всегда. |
Симфония вселенной: теория струн для начинающих
Со временем для объяснения некоторых задач современной физики уже пришлось создать теорию суперструн, в которой были такие загадочные вещи, как десятки измерений или симметричные частицы даже не спрашивайте. Теория обновлялась , будто компьютерная игра, но множественные опыты, в том числе и в большом адронном коллайдере, пока не дали никаких значительных результатов. Теория суперструн и следующие за ней настолько сложны, что математики не могут помочь физикам в расчетах, а новые возможные эксперименты требуют гигантских, в прямом смысле слова вселенских, масштабов. Так что теперь подобные исследования потеряли былую популярность, но заняли определенную нишу и продвинули науку еще на маленький шажок к постижению истины мироздания.
Это был настоящий «демографический взрыв» элементарных частиц. Аспиранты физических вузов бегали по коридорам с криками, что открыли новую частицу, — не хватало даже букв для их обозначения. Но, увы, в «родильном доме» новых частиц ученые так и не смогли отыскать ответ на вопрос — зачем их так много и откуда они берутся? Это подтолкнуло физиков к необычному и потрясающему предсказанию — они поняли, что силы, действующие в природе, также можно объяснить с помощью частиц. То есть существуют частицы материи, а есть частицы-переносчики взаимодействий. Таковым, например, является фотон — частица света. Ученые предсказывали, что именно этот обмен частицами-переносчиками — есть не что иное, как то, что мы воспринимаем как силу.
Это подтвердилось экспериментами. Так физикам удалось приблизиться к мечте Эйнштейна по объединению сил. А если вернуться во времени еще дальше, то электрослабое взаимодействие соединилось бы с сильным в одну суммарную «суперсилу». Несмотря на то, что все это еще ждет своих доказательств, квантовая механика вдруг объяснила, как три из четырех сил взаимодействуют на субатомном уровне. Причем объяснила красиво и непротиворечиво. Эта стройная картина взаимодействий, в конечном счете, получила название Стандартной модели. Но, увы, и в этой совершенной теории была одна большая проблема — она не включала в себя самую известную силу макроуровня — гравитацию. Например, выкладки теории предсказали существование частиц, которых, как точно установили вскоре, не существует. Это так называемый тахион — частица, которая движется в вакууме быстрее света. Помимо прочего выяснилось, что теория требует целых 10 измерений.
Неудивительно, что это очень смущало физиков, ведь это очевидно больше, чем то, что мы видим. К 1973 году только несколько молодых физиков все еще боролись с загадочными выкладками теории струн. Одним из них был американский физик-теоретик Джон Шварц. В течение четырех лет Шварц пытался приручить непослушные уравнения, но без толку. Помимо других проблем, одно из этих уравнений упорно описывало таинственную частицу, которая не имела массы и не наблюдалась в природе. Ученый уже решил забросить свое гиблое дело, и тут его осенило — может быть, уравнения теории струн описывают, в том числе, и гравитацию? Впрочем, это подразумевало пересмотр размеров главных «героев» теории — струн. Предположив, что струны в миллиарды и миллиарды раз меньше атома, «струнщики» превратили недостаток теории в ее достоинство. Таинственная частица, от которой Джон Шварц так настойчиво пытался избавиться, теперь выступала в качестве гравитона — частицы, которую долго искали и которая позволила бы перенести гравитацию на квантовый уровень. Именно так теория струн дополнила пазл гравитацией, отсутствующей в Стандартной модели.
Но, увы, даже на это открытие научное сообщество никак не отреагировало. Теория струн оставалась на грани выживания. Но Шварца это не остановило. Присоединиться к его поискам захотел только один ученый, готовый рискнуть своей карьерой ради таинственных струн — Майкл Грин. За открытие этих «оснований» в 2011 году была вручена Нобелевская премия по физике. Состояло оно в том, что расширение Вселенной не замедляется, как думали когда-то, а, наоборот, ускоряется. Объясняют это ускорение действием особой «антигравитации», которая каким-то образом свойственна пустому пространству космического вакуума. С другой стороны, на квантовом уровне ничего абсолютно «пустого» быть не может — в вакууме постоянно возникают и тут же исчезают субатомные частицы. Такое «мелькание» частиц, как полагают, и ответственно за существование «антигравитационной» темной энергии, которая наполняет пустое пространство. В свое время именно Альберт Эйнштейн, до конца жизни так и не принявший парадоксальные принципы квантовой механики которую он сам и предсказал , предположил существование этой формы энергии.
Следуя традициям классической греческой философии Аристотеля с ее верой в вечность мира, Эйнштейн отказывался поверить в то, что предсказывала его собственная теория, а именно то, что Вселенная имеет начало. Чтобы «увековечить» мироздание, Эйнштейн даже ввел в свою теорию некую космологическую постоянную, и таким образом описал энергию пустого пространства. К счастью, через несколько лет выяснилось, что Вселенная — вовсе не застывшая форма, что она расширяется. Тогда Эйнштейн отказался от космологической постоянной, назвав ее «величайшим просчетом в своей жизни». Сегодня науке известно — темная энергия все-таки существует, хотя плотность ее намного меньше той, что предполагал Эйнштейн проблема плотности темной энергии, кстати, — одна из величайших загадок современной физики. Но как бы ни была мала величина космологической постоянной, ее вполне достаточно для того, чтобы убедиться в том, что квантовые эффекты в гравитации существуют. Шварц и Грин принялись за их устранение. И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек.
После этого они сравнили полученное число с площадью горизонта событий чёрной дыры — энтропией , предсказанной Бекенштейном и Хокингом, — и получили идеальное согласие. По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии. Проблема, стоявшая перед физиками в течение четверти века, была решена. Для многих теоретиков это открытие было важным и убедительным аргументом в поддержку теории струн. Разработка теории струн до сих пор остается слишком грубой для прямого и точного сравнения с экспериментальными результатами, например, с результатами измерений масс кварка или электрона. Теория струн, тем не менее, дает первое фундаментальное обоснование давно открытого свойства чёрных дыр, невозможность объяснения которого многие годы тормозила исследования физиков, работавших с традиционными теориями. Даже Шелдон Глэшоу, Нобелевский лауреат по физике и убеждённый противник теории струн в 1980-е гг. Струнная космология[ ] Существует три основных пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель. Во-первых, в духе современных исследований, всё более проясняющих ситуацию, из теории струн следует, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер. Этот вывод меняет представление о структуре Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва , для которого в стандартной модели получается нулевой размер Вселенной. Во-вторых, понятие T-дуальности, то есть дуальности малых и больших радиусов в его тесной связи с существованием минимального размера в теории струн, имеет значение и в космологии. В-третьих, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырёх, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений. Модель Бранденберга и Вафы[ ] В конце 1980-х гг. Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа сделали первые важные шаги к пониманию того, к каким изменениям в следствиях из стандартной космологической модели приведет использование теории струн. Они пришли к двум важным выводам. Во-первых, по мере движения назад к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до момента, когда размеры Вселенной по всем направлениям сравняются с планковской длиной. В этот момент температура достигнет максимума и начнёт уменьшаться. На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления. Предположим для простоты следуя Бранденбергеру и Вафе , что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. Из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. Поскольку температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению роста температуры и её дальнейшему снижению. В результате Бранденбергер и Вафа пришли к следующей космологической картине: сначала все пространственные измерения в теории струн плотно свернуты до минимальных размеров порядка планковской длины. Температура и энергия высоки, но не бесконечны: парадоксы начальной точки нулевого размера в теории струн решены. В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения теории струн совершенно равноправны и полностью симметричны: все они свернуты в многомерный комок планковских размеров. Далее, согласно Бранденбергеру и Вафе, Вселенная проходит первую стадию понижения симметрии, когда в планковский момент времени три пространственных измерения отбираются для последующего расширения, а остальные сохраняют исходный планковский размер. Затем эти три измерения отождествляются с измерениями в сценарии инфляционной космологии и в процессе эволюции принимают наблюдаемую теперь форму. Модель Венециано и Гасперини[ ] После работы Бранденбергера и Вафы физики непрерывно продвигаются вперёд к пониманию струнной космологии. В числе тех, кто идет во главе этих исследований — Габриэле Венециано и его коллега Маурицио Гасперини из Туринского университета. Эти учёные представили свой вариант струнной космологии, который в ряде мест соприкасается с описанным выше сценарием, но в других местах принципиально отличается от него. Как Бранденбергер и Вафа, для исключения бесконечной температуры и плотности энергии, которые возникают в стандартной и инфляционной модели, они опирались на существование минимальной длины в теории струн. Однако вместо вывода о том, что в силу этого свойства Вселенная рождается из комка планковских размеров, Гасперини и Венециано предположили, что существовала доисторическая вселенная, возникшая задолго до момента, который называется нулевой точкой, и породившая этот космический « эмбрион » планковских размеров. Исходное состояние Вселенной в таком сценарии и в модели Большого взрыва очень сильно различаются.
Поэтому расстояние, которое меньше планковской длины, принципиально недостижимо. Струны бывают открытыми и замкнутыми. И те и другие имеют определённые устойчивые формы колебаний — моды. Механическая аналогия: зажимая по-разному скрипичные струны, можно извлекать самые разные звуки. Каждая колебательная мода струны соответствует той или иной частице и обеспечивает ей все наблюдаемые характеристики: массу, спин, заряд и прочее. Причем не только частицы-участники, но и частицы-переносчики взаимодействий предстают «на равных» в теории струн. Абсолютно все частицы могут быть описаны через единый объект — струну. Это же самое полное воплощение мечты о единстве мира!