Comments Off on Теория струн кратко и понятно. Эти достижения убедили многих физиков, что теория струн способна выполнить свои обещания и стать окончательной объединяющей теорией.
Войти на сайт
Теория струн сейчас — это лучшая попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, поскольку сами струны несут в себе гравитационную силу, а их вибрация является случайной, как и предсказывает квантовая механика. Причина, по которой теория струн является потенциальной теорией всего, заключается в том, что она предсказывает, что все формы материи состоят из струн, и, следовательно, все на самом деле состоит из одного и того же «вещества». Как известно, теория струн была предложена в 1970-х годах для решения проблем квантовой гравитации и Стандартной модели. Не так давно физический мир облетела новость: знаменитая теория струн несовместима с существованием тёмной энергии, какой её себе представляет большинство космологов. Самые интересные и оперативные новости из мира высоких технологий. Что такое теория струн, какие пять основных элементов в нее входят, является ли она теорией всего, какие у нее недостатки в статье на
Теория струн. Возникновение теории, ее приложения
это активная исследовательская платформа в области физики элементарных частиц, которая пытается согласовать квантовую механику и общую теорию относительности. Теория струн основана на гипотезе[5] о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10−35 м. Просто о сложном_ структура Вселенной, квантовая физика, теория относительности. Понятно, что с математиче ской точки зрения с гладкими поверхностями работать гораздо лучше и плодотворнее, чем с сингулярными — в этом объяснение успехов математи ческого аппарата теории струн. 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".
Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи
Самые интересные и оперативные новости из мира высоких технологий. Теория струн рассматривалась как возможная «теория всего», единая структура, которая могла бы объединить общую теорию относительности и квантовую механику, две теории, лежащие в основе современной физики. Теория струн воплощает мечту всех физиков по объединению двух, в корне противоречащих друг другу ОТО и квантовой механики, мечту, которая до конца дней не давала покоя величайшему «цыгану и бродяге» Альберту Эйнштейну. 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. Вместо теории струн со всеми десятью пространственно-временными измерениями или знакомой нам Вселенной с четырьмя протяжёнными измерениями снова рассмотрим вселенную Садового шланга. Теория струн, обобщение квантовой теории поля (КТП), связанное с ослаблением требований локальности и перенормируемости, открывшее возможность.
Теория струн для чайников
Если традиционно физики пытались обосновать теорию струн с помощью квантовой мезаники, Барс и Рычков исходили из того, что теория струн верна, и, исходя из постулатов этой теории, вывели принцип неопределенности. Причина, по которой теория струн является потенциальной теорией всего, заключается в том, что она предсказывает, что все формы материи состоят из струн, и, следовательно, все на самом деле состоит из одного и того же «вещества». Просто о сложном_ структура Вселенной, квантовая физика, теория относительности. Вместо теории струн со всеми десятью пространственно-временными измерениями или знакомой нам Вселенной с четырьмя протяжёнными измерениями снова рассмотрим вселенную Садового шланга. Стало отчетливо понятно, что эта программа на самом деле является отнюдь не содержанием теории струн, а только еще одной областью ее приложения.
Что такое теория струн? Простой обзор
И удобства. Взаимодействия между частицами описываются "Квантовой теорией поля" и это самая точная, самая фундаментальная, глобальная теория из всех, что есть и она может рассчитать многое. Но уже далеко не всё. Почему всё настроено именно так? С помощью Стандартной модели нельзя объяснить, почему массы, заряды, и другие параметры частиц именно такие. Почему электроны в 1800 раз тяжелее протона? Почему у нейтрино есть масса - а у глюона нет? Выглядит всё так, как будто кто-то настроил всё на огромном пульте для Вселенной! Да ещё и так точно, что до сих пор всё ничего не развалилось. Что такое чёрные дыры с точки зрения современной науки и какое значение имеет их исследование для понимания Вселенной. Гравитацию отлично описывает Общая Теория Относительности, ка следствие искривления пространства и времени.
Почему бы их, теории, не связать? Оказывается, не получится. Теория относительности и Квантовая теория вообще не совместимы, и во многом даже противоречат друг другу! Так чтогравитация для стандартной модели - та ещё боль. Стандартная модель не даёт ответа, что такое тёмная материя? Ну и что такое "тёмная энергия"? Почему частиц во Вселенной больше, чем античастиц? Теория струн - это дальнейшее развитие, чтобы описать в единых терминах все наблюдаемые явления. Теория струн В теории струн элеиентарные частицы, из которых состоит абсолютно всё - это не точечнын объекты, а имеющие кототорую длину.
Мир согласно теории струн Согласно теории струн, если бы мы заглянули внутрь любой фундаментальной частицы, например, такой как электрон, мы бы обнаружили там крошечную вибрирующую струну энергии одномерный объект. В теории струн фундаментальные частицы можно рассматривать как энергетические колебания. Рисунок, изображающий теорию струн. Более того, теория струн предсказывает существование одиннадцати измерений. Причина, по которой мы не видим эти измерения в повседневной жизни, заключается в том, что они слишком малы, чтобы их обнаружить. Тем не менее, дополнительные измерения играют жизненно важную роль. Конфигурация размеров определяет, как вибрирует струна и, следовательно, какая частица образуется. Струны вибрируют в одиннадцати измерениях, и частота, с которой вибрирует струна, зависит от того, как струна ориентирована в одиннадцати измерениях.
Важнейшее значение теории струн для физиков, если излагать кратко: она претендует на роль «теории всего», то есть может объединить в одно целое все физические аспекты существования Вселенной. Именно она позволяет объяснять самые сложные явления — например, черные дыры. Главная проблема, однако, заключается в том, что эта идея остается пока лишь гипотезой и не имеет экспериментальных доказательств. Проекция 6-мерного пространства Калаби — Яу. Изображение с сайта.
Шварц, например, ощущал, что «математическая структура теории струн столь прекрасна и имеет столько поразительных свойств, что, несомненно, должна указывать на что-то более глубокое». Некоторые конфигурации колеблющихся струн в этой теории имели свойства, которые напоминали свойства глюонов, что давало основание действительно считать её теорией сильного взаимодействия. Однако помимо этого в ней содержались дополнительные частицы-переносчики взаимодействия, не имевшие никакого отношения к экспериментальным проявлениям сильного взаимодействия. В 1974 г. Шварц и Джоэль Шерк из французской Высшей технической школы сделали смелое предположение, которое превратило этот кажущийся недостаток в достоинство. Изучив странные моды колебаний струн, напоминающие частицы-переносчики, они поняли, что эти свойства удивительно точно совпадают с предполагаемыми свойствами гипотетической частицы-переносчика гравитационного взаимодействия — гравитона. Хотя эти «мельчайшие частицы» гравитационного взаимодействия до сих пор так и не удалось обнаружить, теоретики могут уверенно предсказать некоторые фундаментальные свойства, которыми должны обладать эти частицы. Шерк и Шварц обнаружили, что эти характеристики в точности реализуются для некоторых мод колебаний. Основываясь на этом, они предположили, что первое пришествие теории струн закончилось неудачей из-за того, что физики чрезмерно сузили область её применения. Шерк и Шварц объявили, что теория струн — это не просто теория сильного взаимодействия, это квантовая теория, которая, помимо всего прочего, включает гравитацию. В действительности, по воспоминаниям Шварца, «наша работа была проигнорирована всеми». Теория струн потерпела неудачу в своей первоначальной попытке описать сильное взаимодействие, и многим казалось бессмысленным пытаться использовать её для достижения ещё более великих целей. Последующие, более детальные исследования конца 1970-х и начала 1980-х гг. Создавалось впечатление, что гравитационная сила вновь смогла устоять перед попыткой встроить её в описание мироздания на микроскопическом уровне. Так было до 1984 г. В своей статье, сыгравшей поворотную роль и подытожившей более чем десятилетние интенсивные исследования, которые по большей части были проигнорированы или отвергнуты большинством физиков, Грин и Шварц установили, что незначительное противоречие с квантовой теорией, которым страдала теория струн, может быть разрешено. Более того, они показали, что полученная в результате теория обладает достаточной широтой, чтобы охватить все четыре вида взаимодействий и все виды материи.
Теория струн: кратко и понятно о сложном. В чем она заключается?
Она не сработает, если предположить, что существует только три пространственных измерения и одно временное, в которых мы живем. Теория струн требует, чтобы в игре было не меньше десяти измерений. Когда ОТО была впервые задумана, гравитация искажала пространство и время, чтобы описать эту силу. Поэтому, если бы кому-то захотелось описать другую силу, например, электромагнетизм, ему понадобилось бы добавить новое измерение.
Ученые написал уравнения, описывающие кривые и дефекты вселенной с дополнительным измерением, и получил оригинальное уравнение электромагнетизма. Удивительное открытие. Дополнительные измерения теории струн могут нам помочь объяснить, почему числа в нашей Вселенной настолько выверены, что позволяют всему существовать.
Например, почему скорость света 299 792 458 метров в секунду? Они также пытаются ответить на вопрос о гравитации — почему эта сила настолько слабая? Она самая слабая из четырех фундаментальных взаимодействий: в 1040 раз слабее электромагнитной силы.
Достаточно будет просто наклониться и поднять книгу с пола, чтобы противодействовать ей. Теоретически это происходит потому, что гравитация просачивается в более высокие измерения. Гравитация состоит из нитей с замкнутым контуром, что позволяет ей покидать наше измерение, в отличие от разомкнутых нитей, которые лучше заземлены.
В этом смысле, от теории струн следует ожидать создание теории классов универсальности, фрагментами которой являются такие теории, как теория катастроф и теория фазовых переходов. Последняя из этих теорий, а точнее, задача о классификации фазовых переходов в 2- и 3-мерных системах, привела к созданию двух важнейших разделов струнной теории: двумерные конформные модели, например, известная специалистам сигма-модель в магнетизме, и исчисление случайных поверхностей. Теория систем со многими фазами и межфазовыми флуктуациями Этот круг проблем напрямую связан с предыдущими проблемами. В самом деле, системы со многими фазами и множественными случайными переходами из одной фазы в другую являются характерным примером систем с сильными по интенсивности взаимодействиями.
Эти системы могут быть удовлетворительно описаны, если мы знаем или хотя бы догадываемся, как найти такую точку зрения, с которой она выглядит как слабовзаимодействующая. Однако и тут изменение параметров системы снова может снова превратить слабо нелинейную систему в сильно нелинейную. Тогда необходимо искать новый подход в описании системы, возвращающий ее в исходное состояние. Такая смена подходов в описании и является основным содержанием учения о фазовых состояниях и фазовых переходах.
Традиционные разделы физики, посвященные этому предмету, ограничиваются простейшими случаями, когда имеется мало различных фазовых состояний и переходы между ними представляются довольно отчетливыми. Однако, в последнее время все больший интерес представляют собой системы, в которых это далеко не так. Открыты физические системы, в которых число различных фаз неограничено и, более того, существенны процессы перехода одной фазы в другую. Понятно, что описание таких систем должно строиться из каких-то иных, нетрадиционных соображений.
Наиболее известные из таких систем — спиновые стекла системы хаотически ориентированных спинов и нейронные сети. Струнный подход к описанию таких систем основан на упомянутой выше переформулировке возникающей задачи в новых терминах, сглаживающих такие существенные различия между различными фазами и уравнениями, как число переменных, порядок и число уравнений и даже размерность пространства, в котором они записаны. Но тут сразу следует указать, что практического применения открывающихся в этом направлении возможностей пока дело не дошло. Изучение этих возможностей находится на начальной стадии развития.
Объединение фундаментальных взаимодействий Эта проблема заслуживает отдельного рассмотрения, вследствие своей особой роли в естествознании. И тем более, ее нельзя обойти, поскольку создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий — самый амбициозный проект, связанный со струнами, у истоков которого стоял Альберт Эйнштейн. Фактически имеется целых два проекта, а не один, которые не исключают, а скорее дополняют друг друга. Однако каждый из проектов имеет смысл и сам по себе.
И если один из них в итоге будет признан несостоятельным, это не приведет к автоматическому закрытию второго. Первый сценарий, который можно считать наивным и прямолинейным приложением теории струн, приписывает струнам фундаментальную природу — элементарными следует считать не точечные частицы, а одномерные протяженные объекты. Примером может служить фотон, который в терминах теории струн представляется как замкнутая струна без натяжения нуль-струна. Отсутствие натяжения у нуль-струны соответствует отсутствию у фотона массы покоя.
С точки зрения стандартной модели, активно используемой в современной физике элементарных частиц, это равносильно предположению о существовании бесконечно большого разнообразия частиц с упорядоченным определенным способом набором масс, спинами и структурой взаимодействия. Замечательно, что такая гипотеза не приводит не только к противоречиям с имеющимися экспериментальными данными. Более того, это предположение позволяет улучшить теорию поля, поскольку оно устраняет некоторые противоречия, характерные для квантовой теории поля. Главным же недостатком такого подхода является отсутствие критерия выбора такой теории.
Струнных моделей оказывается ни сколько не меньше, чем обычных и при этом, отсутствуют критерии, позволяющие отдать какой-либо из них предпочтение. С попыткой избавиться от такого модельного многообразия связан второй сценарий Великого Объединения.
Она может показаться смешной и правдоподобной одновременно. Давайте же разберемся в теории струн. Сначала казалось, что эта теория может объяснить все процессы во Вселенной, но на деле она оказалась невероятно сложной. Теория струн — это идея теоретической физики о том, что реальность состоит из бесконечно малых вибрирующих струн — меньших, чем атомы, электроны или кварки. Согласно этой теории, когда струны вибрируют, скручиваются и сворачиваются, они производят эффекты во многих крошечных измерениях.
Эти эффекты люди затем могут наблюдать во всем — от физики элементарных частиц до крупномасштабных явлений, таких как гравитация.
Пример К3 поверхности «Вы можете думать об этом семействе поверхностей как о буханке хлеба, а о каждой фибрации — как о «ломтике» этой буханки», пишут исследователи. Изучая последовательность «ломтиков», мы можем визуализировать и лучше понять всю буханку. По мнению авторов статьи, важной частью этого исследования является выявление определенных геометрических строительных блоков, называемых «делителями», внутри каждой поверхности K3. Вам будет интересно: Восход и закат теории струн Часы кропотливой работы, в результате позволили математикам доказать теоремы каждого из четырех расслоений, а затем протолкнуть каждую теорему через сложные алгебраические формулы.
Издание SciTechDaily приводит слова авторов исследования о том, что для последней части этого процесса ученые использовали программное обеспечение Maple и специализированный пакет дифференциальной геометрии, который оптимизировал вычислительные усилия. Наша Вселенная очень странная и возможно состоит из струн Отметим, что начиная с 1980-х гг. И хотя каждая из них построена на струнах и дополнительных измерениях все пять версий объединены в общую теорию суперструн, о чем подробно писал мой коллега Илья Хель , в деталях эти версии довольно сильно расходились. Еще больше увлекательных статей о нашей удивительной Вселенной читайте на нашем канале в Яндекс. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте.
Парадокс заключается в том, что все пять версий на сегодняшний день можно назвать одинаково верными.
Популярно о теории струн
Нравится вам это или нет а некоторым физикам, конечно, нет , теория струн никуда не денется. Струна определенной длины, бьющая на определенной ноте, может приобрести свойства фотона, а другая струна, свернутая и вибрирующая с другой частотой, может играть роль кварка, и так далее. В дополнение к укрощению гравитации, теория струн была привлекательна своим потенциалом для объяснения значений так называемых фундаментальных констант, таких как масса электрона. Теоретики надеялись, что следующим шагом будет поиск правильного способа описания сворачивания и движения струн, но эта кажущаяся простота оказалась на самом деле неожиданно сложной.
Математика теории струн не работала в наших привычных четырех измерениях три пространственных и одно временное. В общей сложности потребовалось 10 измерений, шесть из которых нам недоступны, подобно тому, как линия электропередач выглядит одномерной для птиц, летящих высоко, но становится 3D-цилиндром для муравья, ползущего по ней.
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. Таким образом, вместо того, чтобы принять квантовые правила коммутации в качестве постулата, авторы получают их из физического процесса струнных взаимодействий.
Если на вашем пути поставить какое-либо препятствие, вы в лепешку расшибетесь, но обогнуть его не сможете. Зато на такой линии уже можно определить нахождение объекта по одной координате. Итак, представьте, что на отрезке все-таки возникло препятствие, как его обойти? Логично, что нужно добавить еще одно измерение, ибо в одном никак.
Поэтому дорисовываем где-нибудь рядом с этой линией еще одну точку. Совместим ее с любой из двух других точек и получим двумерную систему координат. Теперь у нас есть два измерения — длина и ширина. Но для настоящего 3D-пространства нам все еще не хватает высоты.
Поэтому сейчас мы будем творить настоящую магию. Добавим еще одну точку и соединим ее с той, с которой соединяли предыдущую. Теперь мы можем двигаться как вперед и в сторону, так и вверх-вниз. Мы получили трехмерное пространство, в котором мы же с вами и живем.
Ну и не забываем про время, конечно же. Думаю, вы все уже задались вопросом: как это все вяжется с теорией струн? Скоро все поймете, мы же тут для чайников разжевываем, поэтому все по порядку. Вам же понравилось рисовать?
Поэтому давайте продолжим. Нарисуем двух человечков в двумерном пространстве. Назовем их Федор и Вадим. Мы с вами видим их такими: Однако Федор и Вадим существуют в 2D-пространстве, поэтому они видят друг друга так: А теперь нарисуем Федора сверху: Как теперь Вадим будет видеть своего товарища?
Вот так: Из этого следует, что, как ни крути, эти ребята будут видеть друг друга как одномерные отрезки, но мы то с вами знаем, что оба они двумерны. Вы и так уже наверняка догадались, почему. Все из-за точки обзора. Мы с вами видим Федора как объект, имеющий длину и ширину, а Вадим недоумевает и говорит, что мы свихнулись, и перед нами простой отрезок с одним единственным измерением.
Тот факт, что Вадим живет на плоскости, попросту не позволяет ему даже представить, как по-настоящему выглядят объекты в его мире. И я уже не говорю о том, как сильно будет болеть его плоский мозг, пытаясь представить трехмерное изображение. А сейчас попытайтесь представить, что в спокойную двуразмерную жизнь Федора и Вадима резко врывается некий 3D-объект, пересекающий их плоскость. Каким образом вы увидите это со стороны?
Двумерные проекции сразу же изменятся и это будет похоже на брокколи в МРТ: Что в этот момент будет с нашими героями? Сказать, что они очень удивятся такому развитию событий, ничего не сказать. Такого они даже представить себе не смогут. Для них везде начнут появляться отрезки, которые будут резко менять свою длину и положение.
Вычислить длину или координаты этих объектов в двумерном мире будет просто невозможно. Надеюсь, теперь вы немного въехали в то, что я пытаюсь вам здесь втереть. Мы живем в трехмерном мире и видим все объекты двумерными. Лишь тот факт, что они или мы перемещаемся в пространстве, позволяет нам говорить о том, что у всего есть объем.
А теперь представьте, что в наш мир вторглось какое-то пятимерное существо. Не ломайте голову, все равно у вас ничего не получится. Вы будете видеть его таким же двумерным, но с очень и очень странными свойствами. Потому что вместе с его перемещением в пространстве и времени вы не только обнаружите его объем, но и другие свойства, которые, плюс ко всему, будут постоянно меняться.
Сейчас вернемся к теории струн и попробуем вообразить себе объект, имеющий 10 измерений. Шучу, не будем мы это делать. Потому что, думаю, уже и так всем понятно, что это бессмысленно и бесполезно. Этот объект по сути должен существовать везде и нигде, всегда и никогда.
Наш мозг попросту не способен этого представить. Нечто подобное было описано в одном псевдонаучном фантастическом фильме под названием «Господин Никто».
Он содержит тахион тип гипотетической частицы, энергия которой является реальной величиной, а масса в состоянии покоя чисто воображаемой , который указывает на то, что теория нестабильна и поэтому не подходит для описания реальности.
Однако с педагогической точки зрения полезно ознакомиться с фундаментальными концепциями более реалистичных моделей. В частности, на уровне нулевой массы он обнаруживает гравитон. Допускает открытые или закрытые веревки.
Теория суперструн На самом деле существует пять теорий суперструн. Теории суперструн отличаются от первой наличием дополнительной симметрии, суперсимметрии , которая оказалась необходимой, когда желательно включить фермионы материю в теорию бозонных струн. Другие расширенные объекты появляются в теориях струн, Dp-браны , где p — целое число, которое указывает количество пространственных измерений рассматриваемого объекта.
Они описываются как подпространства, в которых живут концы открытых струн. D0, D2 , D4, D6 и D8. D1 имеют такое же количество измерений, что и основная хорда обычно обозначаемая F1.
Несмотря на то, что это два разных объекта, непертурбативная симметрия теории II B, называемая S-дуальностью , которая подверглась большому количеству косвенных проверок, обладает свойством обмена D1- браной с F1. Эдвард Виттен синтезирует большое количество ключей, указывающих на существование 11-мерной теории, лежащей в основе пяти версий теории суперструн, а также 11-мерной супергравитации , которую можно понимать как пограничные случаи, называемые теорией М. Это Единое видение пяти струнных теорий по существу основано на их взаимосвязи через многочисленные струнные дуальности.
Супергравитация максимум может сам по себе быть поняты как эффективная теория низкой энергии. Что касается выбора имени, Эдвард Виттен позже сказал: «M означает« магический »,« загадочный »или« матричный », в зависимости от вкуса. Чёрные дыры и теория струн Стромиджер и Вафа, струнные теоретики, с помощью теории струн смогли отыскать микроскопические компоненты чёрных дыр экстремального типа.
Учёные предложили конструкцию чёрной дыры в виде механизма, состоящего из конкретного набора бран. Были вычислены количества перестановок микрокомпонентов дыры, оставляющие неизменными основные параметры — заряд и массу. Теория струн смогла проанализировать микрокомпоненты и точно рассчитать энтропию чёрных дыр этого класса.
Обычные масштабы должны сводить 10-мерную теорию струн к достаточно надёжной физике элементарных частиц. Но, как известно, таких способов практически бесконечное количество, причём, каждая полученная четырёхмерная теория подразумевает свой собственный мир. Варианты струнных колебаний определяют свойства частиц, а сами колебания зависимы от геометрии дополнительных измерений.
Приближенные уравнения, что существуют сейчас, удовлетворяют и многим другим гипотетически возможным Вселенным со своей геометрией и законами физики. Некоторые понятия струны и их колебания, множественность измерений просто невозможно представить без глубоких познании в точных науках. 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.
Что такое Теория струн и существует ли 10-ое измерение
| Теория суперструн кратко и понятно | Comments Off on Теория струн кратко и понятно. |
| Теория струн, Мультивселенная | Антропный принцип в теории струн. |
| Популярно о теории струн | 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. |
| Обнаружено новое доказательство теории струн | Теория струн, имеет все шансы разрешить главный спор в физике XX века – включить гравитационное взаимодействие в Стандартную модель. |
Квантовая механика – следствие теории струн?
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. Тем не менее, теория струн обогатила физику и математику методами вычисления, новыми фактами и формулами. Теория струн правда предсказывает дополнительные измерения в пространстве-времени? Теория суперструн может быть сформулирована логически непротиворечиво только в 10 измерениях — в 9 пространственных и одном временном. Наш же мир является четырехмерным.
Кажущееся противоречие в рамках теории струн объясняется тем, что каждая точка нашего трехмерного пространства имеет структуру, которую можно увидеть, только если смотреть в очень мощный микроскоп. А именно: заметить дополнительные измерения можно только, если рассеивать элементарные частицы на ускорителях при очень высоких энергиях. В чем недостаток теории струн Главная проблема с теорией струн заключается в том, что она предсказывает наряду со всеми элементарными частицами, которые мы уже видим в экспериментах целый ряд других частиц, которых мы не наблюдаем.
Получив это уравнение, Калуца распознал в нём уравнение электромагнитного поля, обнаруженное Максвеллом полувеком ранее. Как показал Калуца, во вселенной с одним дополнительным пространственным измерением гравитация и электромагнетизм могут быть описаны единым образом как пространственно-временные искривления. Но гравитация рябит в привычных трёх пространственных измерениях, а электромагнетизм — в четвёртом. Огромной проблемой для гипотезы Калуцы стало объяснение того, почему мы не видим четвёртое пространственное измерение. Именно тогда Калуца предложил описанное выше решение: дополнительные измерения, если они достаточно малы, могут ускользать от фиксации нашими органами чувств и оборудованием. Однако последующие исследования показали, что программа Калуцы—Клейна сталкивается с некоторыми препятствиями, самым трудным из которых является невозможность встроить детальные свойства частиц материи, таких как электрон, в математическую структуру. В течение двух десятилетий предлагались и отвергались различные способы обойти эту проблему.
Однако поскольку не было предложено ни одного подхода, свободного от этих недостатков, то к середине 1940-х годов идея объединения через дополнительные измерения практически была забыта. Спустя тридцать лет возникла теория струн. Математический аппарат теории струн не просто разрешал существование во Вселенной дополнительных измерений, он требовал их присутствия. Теория струн возродила программу Калуцы—Клейна, и к середине 1980-х годов учёные во всём мире воодушевлённо полагали, что это только вопрос времени, когда теория струн приведёт к полному описанию всей материи и взаимодействий. Большие надежды В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно. При таком возбуждении понятно, что некоторые теоретики заговорили о скорой революции в решении основных проблем фундаментальной физики: слиянии гравитации и квантовой механики, объединении всех сил в природе, выяснении происхождения Вселенной. Но более умудрённые физики полагали, что такие надежды преждевременны. Теория струн настолько насыщена, обширна и математически трудна, что спустя почти три десятилетия после первой эйфории современные учёные одолели лишь часть исследовательского пути. С учётом того, что мир квантовой гравитации в сотни миллиардов миллиардов раз меньше чем всё, что мы сегодня можем экспериментально измерить, дорога будет длинная, даже по самым скромным оценкам. Теория струн и свойства частиц Один из самых основных вопросов всей физики стоит так: почему частицы, которые наблюдаются в природе, являются именно такими, а не какими-нибудь другими?
Интерес к этому вопросу непросто академический, он отражает очень важный факт. Если бы у частиц были другие свойства, ядерные процессы, питающие звёзды, подобные нашему Солнцу, были бы нарушены. Вселенная без звёзд была бы совсем другой. Очевидно, что без солнечного света и тепла не возникла бы сложная цепочка событий, приведшая к возникновению жизни на Земле. Поэтому возникает фундаментальный вопрос: как с помощью ручки, бумаги и, возможно, компьютера, а также руководствуясь нашим пониманием законов природы, вычислить свойства частиц и получить результаты, которые согласуются с экспериментальными данными. В рамках квантовой теории поля ответа на этот вопрос нет и не может быть. В квантовой теории поля измеренные свойства частиц выступают в качестве исходных данных — на их основе строится и определяется сама теория. Сможет ли теория струн справиться с этим лучше? Одна из самых красивых черт струнной теории состоит в том, что свойства частиц определяются размером и формой дополнительных измерений. Поскольку струны очень малы, они вибрируют не только в трёх привычных больших измерениях, но и в малых, свёрнутых измерениях.
Колебания струн в струнной теории определяются формой скрученных измерений. Вспоминая, что вибрационное поведение струн определяет свойства частиц, такие как массу и электрический заряд, мы видим, что эти свойства диктуются геометрией дополнительных измерений. Поэтому если достоверно известно, как выглядят дополнительные измерения в теории струн, то можно легко предсказать любые свойства вибрирующих струн и, следовательно, все свойства элементарных частиц, порождённых колебаниями струны. Трудность, как и раньше, в том, что никто не знает, какова точная геометрическая форма дополнительных измерений. Уравнения теории струн накладывают математические ограничения на геометрию дополнительных измерений и требуют, чтобы они принадлежали частному классу так называемых пространств Калаби—Яу. Проблема в том, что нет какой-то одной, выделенной формы Калаби—Яу. Наоборот, эти пространства имеют разные размеры и контуры. Дополнительные измерения, различающиеся по размерам и по форме, порождают разные вибрации струн и, следовательно, разные наборы свойств частиц. Отсутствие однозначной спецификации для дополнительных измерений является главным камнем преткновения, который не позволяет струнным теоретикам делать конкретные предсказания. В середине 1980-х годов, было известно небольшое количество пространств Калаби—Яу, поэтому можно было надеяться проанализировать каждое из них и соотнести с известной физикой.
Спустя несколько лет, число пространств Калаби—Яу возросло до нескольких тысяч, что стало серьёзной задачей для обстоятельного изучения. Время шло и число страниц в каталоге пространств Калаби—Яу только увеличивалось. Теперь их больше чем песчинок на пляже. И речи быть не может о том, чтобы математически рассмотреть каждое на роль дополнительных измерений. Поэтому струнные теоретики продолжают поиск математической подсказки, которая позволит выделить из всех возможных пространств Калаби—Яу то самое, единственное. Теория струн пока не реализовала свои возможности по объяснению свойств фундаментальных частиц. В этом отношении теория струн до сих пор не имеет особых преимуществ перед квантовой теорией поля. Теория струн и эксперименты Если типичная струна имеет чрезвычайно крохотный размер, то для обнаружения её протяжённой структуры — той самой характеристики, которая отличает её от частицы — потребуется ускоритель в миллионы миллиардов раз мощнее, чем БАК. Предполагая, что выдающийся технологический прорыв не предвидится, такая ситуация означает, что на сравнительно малых энергиях, достижимых на имеющихся ускорителях, струны неотличимы от точечных частиц. Экспериментальная версия упомянутого ранее теоретического факта: на низких энергиях теория струн сводится к квантовой теории поля.
Таким образом, даже если теория струн и является правильной фундаментальной теорией, в широком диапазоне доступных экспериментов она будет проявляться как квантовая теория поля. Выбор полей и кривых энергий в квантовой теории поля равносилен выбору формы дополнительных измерений в теории струн. Одна из проблем в теории струн состоит в том, что математика, которая связывает свойства частиц с формой дополнительных измерений, в высшей степени своеобразна. Поэтому работа в обратном направлении очень трудна — использование экспериментальных данных для определения конкретной формы дополнительных измерений, аналогично тому, как такие данные определяют состав полей и кривых энергий в квантовой теории поля. В обозримом будущем наиболее обещающим способом связи теории струн с экспериментальными данными будут предсказания, которые можно объяснить с помощью более традиционных методов, но для которых гораздо более естественное и убедительное объяснение возникает из теории струн. Теория струн, сингулярность и черные дыры В большинстве ситуаций квантовая механика и гравитация успешно игнорируют друг друга, при этом первая применяется к малым объектам, таким как молекулы и атомы, а вторая к большим объектам, соразмерным звёздам и галактикам. Однако обе теории вынуждены встречаться в мирах, известных как сингулярности. Сингулярность — это любая физическая ситуация, реальная или гипотетическая, которая настолько экстремальна огромные массы, малый размер, гигантская кривизна пространства, проколы или разрывы в самой пространственно-временной структуре , что квантовая механика и общая теория относительности ведут себя неадекватно. Цель любой квантовой теории гравитации - свести воедино квантовую механику и гравитацию таким образом, чтобы сингулярности исчезли.
Ударить сильнее — звук станет громче. В теории струн каждая струна колеблется так же, в зависимости от влияющих на нее факторов. На данный момент теория струн вроде бы объясняет все. Все, кроме черных дыр — здесь пока ученые больше предполагают, чем знают.
Выяснилось, что Вселенная намного богаче, чем это можно было себе представить. 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. Субатомные матрешки Несмотря ни на что, в начале 1980? 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. 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.