После того, как плавная и предсказуемая Общая теория относительности оказалась в неразрешимом конфликте с плутоватой квантовой механикой, лучшие умы человечества, начиная с Эйнштейна, принялись формулировать новую теорию. Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано[7], связанных со струнными моделями строения адронов. Рассказать о теории струн кратко вряд ли получится. Теория струн гласит, что неделимые субатомные частицы состоят из крошечных маленьких струн, вибрирующих по определенной схеме. 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.
Теория струн и квантовая механика
Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Так, начал вырисовываться фундаментальный физический принцип, получивший прекрасное название Теория всего или Теория струн, которая стала воплощением мечты всех физиков по объединению двух противоречащих друг другу ОТО и квантовой механики. 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. Шерк и Шварц объявили, что теория струн — это не просто теория сильного взаимодействия, это квантовая теория, которая, помимо всего прочего, включает гравитацию.{27}. теория струн имеет значительное значение для понимания ранней Вселенной и происхождения нашей вселенной. Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений.
Квантовая механика – следствие теории струн?
Оказалось, что теория струн замечательно может свести все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной к одному — колебанию одномерной струны с соответствующим переносом энергии. одно из направлений теоретической физики (можно сказать - физики элементарных частиц). Вместо теории струн со всеми десятью пространственно-временными измерениями или знакомой нам Вселенной с четырьмя протяжёнными измерениями снова рассмотрим вселенную Садового шланга. 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. Стало отчетливо понятно, что эта программа на самом деле является отнюдь не содержанием теории струн, а только еще одной областью ее приложения. Та материя, сутью которой являются струны, составляет только 5% массы Вселенной — ее видимая часть.
Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи
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.
Именно они свойства и характеристики всего вокруг нас определяют. Среди таких констант, например, заряд электрона, гравитационная постоянная, скорость света в вакууме. И если мы изменим эти числа даже в незначительное число раз - последствия будут катастрофическими. Предположим, мы увеличили силу электромагнитного взаимодействия. Что же произошло? Мы можем вдруг обнаружить, что ионы стали сильнее отталкиваться друг от друга, и термоядерный синтез, который заставляет звезды светить и излучать тепло, вдруг дал сбой.
Все звезды погаснут. Но причем здесь теория струн с ее дополнительными измерениями? Дело в том, что, согласно ей, именно дополнительные измерения определяют точное значение фундаментальных констант. Одни формы измерений заставляют одну струну вибрировать определенным образом, и порождают то, что мы видим, как фотон. В других формах струны вибрируют по-другому, и порождают электрон. Воистину бог кроется в "Мелочах" - именно эти крошечные формы определяют все основополагающие константы этого мира.
Теория суперструн. В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. Всего за несколько лет возникло целых пять версий теории струн. И хотя каждая из них построена на струнах и дополнительных измерениях все пять версий объединены в общую теорию суперструн - NS , в деталях эти версии расходились значительно. Так, в одних версиях струны имели открытые концы, в других - напоминали кольца. А в некоторых вариантах теория даже требовала не 10, а целых 26 измерений.
Парадокс в том, что все пять версий на сегодняшний день можно назвать одинаково верными. Но какая из них действительно описывает нашу вселенную? Это очередная загадка теории струн. Именно поэтому многие физики снова рукой на "Сумасбродную" теорию махнули. Но самая главная проблема струн, как уже было сказано, в невозможности по крайней мере, пока доказать их наличие экспериментальным путем. Некоторые ученые, однако, все же поговаривают, что на следующем поколении ускорителей есть очень минимальная, но все же возможность проверить гипотезу о дополнительных измерениях.
Хотя большинство, конечно, уверено, что если это и возможно, то произойти это, увы, должно еще очень нескоро - как минимум через десятилетия, как максимум - даже через сотню лет. Теория семи струн кратко и понятно.
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.
Особенно яростный флюродрос физиков на теорию струн вызвало то, что она позволяет объяснить основные константы микромира с математической точки зрения. Становилось понятно, почему, например, массы элементарных частиц именно такие, какие есть, а не какие-то там другие. Если учёные раньше могли лишь разводить на подобного рода вопросы руками, отвечая: « Так надо », « ПНХ », или, в худшем случае, «Так хотел Б-г», то теперь появилась реальная возможность проникнуть в глубинную структуру Вселенной. Кроме того, теория струн давала надежду на чудо — объединение ОТО и квантовой механики в рамках одной теории. При расчётах ВНЕЗАПНО выяснилось, что собственные колебания этих ваших струн способны гасить и уравновешивать квантовые флуктуации — да-да, устранять те самые возмущения на микроскопическом уровне, из-за которых ОТО и квантовая механика никак не хотели возлюбить друг друга. Но в итоге учёных ждал былинный отказ. Дальнейшие исследования и проверки теории показали: авотхуй , ничего подобного.
На первый взгляд вроде всё хорошо, но при глубоком изучении выявились серьёзные противоречия следствий теории с экспериментальными данными. Например, в теории струн обязательно присутствовала частица, тахион, квадрат массы которой был меньше нуля. Ну ты понел, да? У нее масса получалась мнимая. Суперсимметрия, все дела[ править ] Ученые нашли в уравнениях теории хэш-коды. Однако упоротые фанаты теории струн так просто не собирались сдаваться. В 1971 году была создана обновлённая теория струн, уже под названием «теория суперструн».
Обновление заключалось в том, что если первый вариант теории включал в себя описание только бозонов, то теория суперструн схавала ещё и фермионы. Тут нужно остановиться и уяснить подробнее. Демонстрация полуцелого спина на примере кофе Все элементарные частицы обладают такой характеристикой, как спин. Школьники могут вообразить это себе как скорость вращения частицы вокруг собственной оси подобно тому, как Земля вертится вокруг себя, сменяя день и ночь. Хотя на самом деле спин показывает как бы крутилась частица, если бы крутилась, причем по расчетам скорость ее оборота превышает световую и при всем прочем создает магнитное поле. Имеется и другой вариант объяснения сути спина «на пальцах», не менее, впрочем, майндфачный в итоге: спин — это количество оборотов вокруг своей оси, которые надо сделать частице, чтобы выглядеть так же, как вначале. И если для спинов в пределах единицы все вроде понятно любому предмету неправильной формы можно приписать «спин», равный единице , то при попытке представить себе форму объекта, который надо прокрутить вокруг оси дважды, чтобы он выглядел так же, как вначале, могут произойти необратимые изменения в коре головного мозга или замещающего органа.
Чтобы уменьшить градус майндфака, попробуйте повернуть на 360 градусов чашку кофе, стоящую на ладони. Получилось то же, с чего начали? Ощущения в руке вам подскажут, что не совсем то. А вот если… впрочем, гляньте-ка лучше видео. Бозонами называются те частицы, которые имеют целочисленный спин. Фермионы — те, у кого спин полуцелый. Так вот, первая версия теории струн описывала только бозоны, что было ещё одной из причин, по которым она до сих пор стоит на морозе.
Обновлённый вариант теории струн включал в себя и фермионы, и тут все поняли, что при таком подходе проблема ненужных тахионов, как и множество других противоречий, исчезает! Но, как всегда, не обошлось без проблем. Новая теория струн не только заставила всех просветлиться, но и вбросила говна на вентилятор: по ней получалось, что для каждого бозона должен существовать соответствующий фермион, то есть между бозонами и фермионами должна существовать определённая симметрия. Такой вид симметрии предсказывался и раньше — под названием «суперсимметрия». Фейл заключался в том, что никто и никогда не наблюдал эти самые суперсимметричные фермионы. Объяснение тому нашли простое: по расчётам, суперсимметричные фермионы должны обладать огромной для микромира массой, и потому в обычных условиях их хрен получишь. Для того, чтобы зарегистрировать их, нужны огромные энергии, которые достигаются при столкновении лёгких частиц на почти световых скоростях.
Физики, осознав, в какой жопе они оказались, стали плакаться в жилетку всем, кому ни попадя, и причитать «бида-бида, канец науке». Неизвестно, кому они продали душу , но в итоге им удалось разжалобить больших дядь на серьёзные бабки для строительства Большого адронного коллайдера и пары коллайдеров поменьше. Да-да, именно так, Анон — одной из целей воздвижения этой НЁХ было именно получение суперсимметричных фермионов. Доводы школолофизика о 9-и измерениях, часть рас часть два Итак, теорию струн заменили теорией суперструн, но легче не стало: не успели физики прийти в себя от бодуна после празднования новой теории, как во все дыры полезли новые глюки. В итоге помощь пришла оттуда, откуда совсем не ждали. Ещё в далёком 1919 году никому тогда не известный немецкий математик Калуца прислал Эйнштейну письмо, где изложил свою теорию: наша Вселенная, вполне может статься, не трехмерная, а измерений может иметься более 9000. В своих работах Калуца делал допущение, что на самом деле Вселенная может быть четырехмерной в пространстве, и в доказательство своих слов приводил свои расчёты, из которых получалось, что при таком условии ОТО замечательно согласовывается с теорией электромагнитного поля Максвелла, чего невозможно достичь в обычной трехмерной Вселенной.
Эйнштейна письмо не впечатлило ещё бы, он только что придумал охуительно сложную теорию, хочется дать продохнуть мозгам, а тут ещё какой-то укуренный немец лезет со своим атсралом , и он ответил лишь « Окей ». В 1926 году физик Оскар Клейн заинтересовался работами Калуцы и усовершенствовал его модель. По Клейну получалось, что дополнительное измерение действительно может существовать, но оно находится в «свёрнутом» и зацикленном на самом себе виде. Причём свернуто четвёртое измерение очень туго — до размеров элементарных частиц, поэтому мы его и не замечаем. Вспомнили о Калуце в восьмидесятых годах, когда теория струн в очередной раз оказалась в жопе. Воспалённые мозги физиков в попытке объяснить несоответствия теории струн с квантовой механикой докатились до того, что было выдвинуто предположение — вся хуйня в расчётах была в том, что струны в нашей теории могут колебаться всего лишь в трёх направлениях, которыми располагает наша Вселенная. Вот если бы струны могли бы колебаться в четырёх измерениях… О, да тут же был какой-то Калуца, кстати, где он?
Расчёты показали, что и в этом случае следует неиллюзорный фейл, но зато число противоречий в уравнениях вроде уменьшилось. Взбодренные физики продолжали увеличивать число измерений, пока не ввели все 9!!! И тогда физики громогласно провозгласили, что на самом деле мы живём в десятимерной Вселенной, в том числе одно измерение во времени, три знакомых нам измерения развернуты до космических размеров, а остальные шесть свернуты в микроскопических масштабах и потому незаметны. Такие дела. Причём ни подтвердить, ни опровергнуть это на эксперименте практически никак нельзя, ибо речь идёт о таких малых масштабах струн и свернутых измерений, что современная аппаратура ничего не найдёт.
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». Там также затрагивается теория струн, и в очень киношной форме представляется то, каково это, жить сразу во всех десяти измерениях.
В общем и целом, кино нудное, местами непонятное и не для всех. Но для базового, немного упрощенного и приукрашенного ознакомления с теорией струн сойдет. Все же знакомы со схематическими изображениями, на которых массивные небесные тела искривляют пространство вокруг себя под действием гравитации? Так вот искривляется не только пространство, но и время. Это сильно влияет на то, как идет время в космосе , можете почитать. Но сейчас не об этом. Сейчас вопрос стоит в том, куда именно гравитация искривляет пространство-время? Ответа на этот вопрос мы дать не можем, так как ни одним из существующих измерений описать этот процесс невозможно. Время С трехмерным пространством более ли менее разобрались, но не будем забывать и про время — четвертое измерение. Ведь нам же мало знать, «где».
Для жизни в нашем мире обязательно нужно еще и «когда».
Что такое теория струн? Простой обзор
Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано[7], связанных со струнными моделями строения адронов. В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно. Антропный принцип в теории струн. Оказалось, что теория струн замечательно может свести все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной к одному — колебанию одномерной струны с соответствующим переносом энергии. 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.
Обнаружено новое доказательство теории струн
Даже простейшие модели такого рода включают в себя все фундаментальные законы природы, объединяя электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия с гравитацией и решая проблему неперенормируемости квантовой теории гравитации. Калибровочные теории с линейным или квадратичным по кривизне действием , описывающие известный нам мир, оказываются естественным классом универсальности, «выживающим» при низких энергиях. Тем самым теория струн решает одну из важнейших проблем естествознания: почему фундаментальные законы, начиная со 2-го закона Ньютона и уравнений Максвелла , зависят от ускорения. Причина в том, что они описывают лишь низкоэнергетическое приближение к действительно фундаментальной теории. В структуре Стандартной модели элементарных частиц имеются указания на её происхождение из более фундаментальной теории при высоких энергиях. Теория струн предоставляет развитую технику для формулировки и изучения подобных гипотез. Простейшие модели теории плохо описываются пертурбативными методами, а непертурбативные пока недостаточно развиты.
Чтобы собрать этот пазл, оказалось мало четырех измерений. Поэтому теория суперструн предполагает, что их десять. И, если это вам кажется много, то дальнейшее развитие данной теории привело к появлению на свет M и F-теорий, подразумевающих 11 и 12 измерений соответственно. Почему так много? Потому что при меньшем количестве все математические измерения своими результатами уходят в бесконечность.
Не стоит забывать, что все это лишь теория, существующая пока только в математических расчетах. Где же все остальные измерения, спросите вы? Говорят, что они находятся где-то в квантовом мире, заключенные в сфероподобные пространства Калаби-Яу. Внутри этих сфер находятся эдакие маленькие мирки с размерностью, которую нам не понять. Выглядит все это безобразие как-то так: Но всей этой запары ученым было мало, и они придумали почти 500 миллионов 470 вариантов таких сфер.
И сейчас они активно пытаются выяснить, какая же из них настоящая. Из выборки в 470 миллионов практически вымышленных объектов нужно найти одну, соответствующую нашей реальности. Это уже не DarkSouls на банане, это просто лютое безумие. У меня нет ни желания, ни ученой степени, чтобы объяснять вам про бозоны, кварки и гравитоны. Думаю, вам это и не нужно — углубление в физику.
У нас же все-таки теория струн для чайников. Поэтому пойдем более простым путем. Суть теории струн Чтобы объяснить суть теории струн, начнем с самого начала. А что у нас в начале? До всего этого десятка измерений, кое-что безразмерное, так называемое нулевое измерение.
Конечно же, это точка. А у вас были другие варианты? Теперь возьмем две точки и соединим как в начальных классах на математике. Что получилось? Правильно, отрезок.
Он, в отличие от точки уже имеет одно измерение — длину. Однако ни ширины, ни высоты здесь по-прежнему нет. Двигаться в одномерном пространстве можно только вперед и назад. Никаких вверх-вниз, влево-вправо там и в помине нет. 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.
Кроме того, квантовая теория струн может иметь практические применения в различных областях, таких как квантовые вычисления, криптография и материаловедение. Исследования в этих областях могут привести к разработке новых технологий и приложений, которые могут иметь значительный вклад в науку и технологию. Критика и альтернативные подходы Квантовая теория струн, несмотря на свою значимость и потенциал, также подвергается критике и вызывает дискуссии среди ученых. Вот некоторые из основных критических моментов и альтернативных подходов, которые были предложены: Ограничения и проблемы квантовой теории струн Одним из основных ограничений квантовой теории струн является ее сложность и математическая трудность. Формализм теории струн требует использования высокоабстрактных математических концепций, таких как теория операторов и топология. Это делает ее трудно доступной для понимания и применения в практических расчетах. Кроме того, квантовая теория струн страдает от проблемы отсутствия экспериментального подтверждения. В настоящее время нет прямых экспериментальных данных, которые могли бы подтвердить или опровергнуть предсказания теории струн. Это ограничивает ее статус как научной теории и вызывает сомнения в ее достоверности.
Альтернативные модели и гипотезы Существуют альтернативные модели и гипотезы, которые предлагают альтернативные подходы к объединению гравитации и квантовой механики. Некоторые из них включают: Петлевая квантовая гравитация: Это альтернативная теория, которая основана на квантовании гравитационного поля в терминах петель. Она предлагает другой математический формализм и подход к описанию гравитации, который может быть более фундаментальным и ближе к экспериментальным данным. Теория супергравитации: Это теория, которая объединяет гравитацию и суперсимметрию. Она предлагает другой подход к объединению фундаментальных взаимодействий и может быть более простой и понятной, чем квантовая теория струн. Нелокальные теории: Это класс теорий, которые предлагают изменить принцип локальности, который является основой квантовой теории струн. В нелокальных теориях взаимодействия могут распространяться на большие расстояния и быть связаны с неклассическими эффектами. Эти альтернативные модели и гипотезы предлагают другие подходы к объединению гравитации и квантовой механики и могут быть объектом дальнейших исследований и экспериментов. Дискуссии и перспективы развития будущих теорий Дискуссии и дебаты вокруг квантовой теории струн и ее альтернативных подходов продолжаются в научном сообществе. Ученые исследуют различные аспекты и проблемы теории струн, а также альтернативные модели и гипотезы.
Будущие теории могут включать в себя комбинацию различных подходов и идей, а также новые математические и физические концепции. Они могут предложить новые предсказания, которые могут быть проверены экспериментально и привести к новым открытиям и пониманию фундаментальных взаимодействий и структуры Вселенной. Заключение Квантовая теория струн представляет собой уникальный и амбициозный подход к объединению гравитации и квантовой механики. Она предлагает новый математический формализм и концепции, которые могут пролить свет на фундаментальные взаимодействия и структуру Вселенной. Несмотря на свою сложность и ограничения, квантовая теория струн имеет большой потенциал для дальнейших исследований и развития. Она может помочь нам лучше понять природу гравитации, создать единое поле физики элементарных частиц и раскрыть новые аспекты Вселенной. Однако, критика и альтернативные подходы также играют важную роль в развитии науки. Альтернативные модели и гипотезы предлагают другие пути и идеи для объединения гравитации и квантовой механики, и могут привести к новым открытиям и пониманию фундаментальных взаимодействий.
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! Все известные нам частицы и переносчики взаимодействий — колебательные моды с наименьшей энергией. Хотя число различных колебательных мод бесконечно, лишь немногим из них соответствуют малые массы и заряды. Остальные должны иметь гигантские массы порядка 10-5 грамм — это огромная величина в масштабах микромира!
Теория струн простым языком
Не известно ни одного эксперимента, который бы подтверждал эту гармоничную и выверенную на бумаге теорию. Историческая справка История данной парадигмы охватывает несколько десятилетий интенсивных исследований. Благодаря совместным усилиям физиков по всему миру, была разработана стройная теория, включающая концепции конденсированных сред, космологию и теоретическую математику. Основные этапы ее развития: 1943—1959 гг.
Появилось учение Вернера Гейзенберга об s-матрице, в рамках которого предлагалось отбросить понятия пространства и времени для квантовых явлений. Гейзенберг впервые обнаружил, что участники сильных взаимодействий представляют собой протяженные объекты, а не точки; 1959—1968 гг. Были обнаружены частицы с высокими спинами моментами вращения.
Итальянский физик Туллио Редже предложит группировать квантовые состояния в траектории которые были названы его именем ; 1968—1974 гг. Гарибрэле Венециано предложил модель двойного резонанса для описания сильных взаимодействий. Есиро Намбу развил эту идею и описал ядерные силы как вибрационные одномерные струны; 1974—1994 гг.
Они представляют совершенно разные области науки. Квантовая физика изучает мельчайшие природные частицы, а ОТО, как правило, описывает природу в масштабах планет, галактик и вселенной в целом. Гипотезы, которые пытаются объединить их, называются теориями квантовой гравитации. Наиболее перспективной из них сегодня является струнная. Замкнутые нити соответствуют поведению силы тяжести. В частности, они обладают свойствами гравитона, частицы, переносящей гравитацию между объектами. Объединение сил Теория струн пытается объединить четыре силы — электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию — в одну. В нашем мире они проявляют себя как четыре различные явления, но струнные теоретики считают, что в ранней Вселенной, когда были невероятно высокие уровни энергии, все эти силы описываются струнами, взаимодействующими друг с другом. Суперсимметрия Все частицы во вселенной можно разделить на два типа: бозоны и фермионы.
Теория струн предсказывает, что между ними существует связь, называемая суперсимметрией. При суперсимметрии для каждого бозона должен существовать фермион и для каждого фермиона — бозон. К сожалению, экспериментально существование таких частиц не подтверждено. Суперсимметрия является математической зависимостью между элементами физических уравнений. Она была обнаружена в другой области физики, а ее применение привело к переименованию в теорию суперсимметричных струн или теория суперструн, популярным языком в середине 1970 годов. Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. Без суперсимметрии уравнения приводят к физическим противоречиям, таким как бесконечные значения и воображаемые энергетические уровни. Поскольку ученые не наблюдали частицы, предсказанные суперсимметрией, она все еще является гипотезой. Эти частицы могли существовать в ранней вселенной, но так как она остыла, и после Большого взрыва энергия распространилась, эти частицы перешли на низкоэнергетические уровни.
Другими словами, струны, вибрировавшие как высокоэнергетические частицы, утратили энергию, что превратило их в элементы с более низкой вибрацией. Ученые надеются, что астрономические наблюдения или эксперименты с ускорителями частиц подтвердят теорию, выявив некоторые из суперсимметричных элементов с более высокой энергией. Дополнительные измерения Другим математическим следствием теории струн является то, что она имеет смысл в мире, число измерений которого больше трех. В настоящее время этому существует два объяснения: Дополнительные измерения шесть из них свернулись, или, в терминологии теории струн, компактифицировались до невероятно малых размеров, воспринять которые никогда не удастся. Мы застряли в 3-мерной бране, а другие измерения простираются вне ее и для нас недоступны. Важным направлением исследований среди теоретиков является математическое моделирование того, как эти дополнительные координаты могут быть связаны с нашими. Последние результаты предсказывают, что ученые в скором времени смогут обнаружить эти дополнительные измерения если они существуют в предстоящих экспериментах, так как они могут быть больше, чем ожидалось ранее. Понимание цели Цель, к которой стремятся ученые, исследуя суперструны — «теория всего», т. В случае успеха она могла бы прояснить многие вопросы строения нашей вселенной.
Объяснение материи и массы Одна из основных задач современных исследований — поиск решения для реальных частиц.
Появилось учение Вернера Гейзенберга об s-матрице, в рамках которого предлагалось отбросить понятия пространства и времени для квантовых явлений. Гейзенберг впервые обнаружил, что участники сильных взаимодействий представляют собой протяженные объекты, а не точки; 1959—1968 гг. Были обнаружены частицы с высокими спинами моментами вращения. Итальянский физик Туллио Редже предложит группировать квантовые состояния в траектории которые были названы его именем ; 1968—1974 гг. Гарибрэле Венециано предложил модель двойного резонанса для описания сильных взаимодействий. Есиро Намбу развил эту идею и описал ядерные силы как вибрационные одномерные струны; 1974—1994 гг. Открытие суперструн, во многом благодаря работам российского ученого Александра Полякова; 1994—2003 гг. Появление М-теории, допустила большее, чем 11, количество измерений; 2003 — н.
Майкл Дуглас разработал ландшафтную теорию струн с понятием ложного вакуума. Теория квантовых струн Ключевыми объектами в новой научной парадигме являются тончайшие объекты, которые своими колебательными движениями сообщают массу и заряд всякой элементарной частице.
Причина - в структуре Пространства и Времени. В Теории Относительности - оно гладкое и ровное на любых масштабах.
И раз у них есть масса и энергия, то они... Из-за чего оно становится искривлённым и неровным. На самом деле есть и другая причина. В квантовой теории поля силы возникают благодаря обмену частицами, а в теории относительности - из-за кривизны Пространства-Времени.
И если всё объединять, то должна существовать частица - переносчик Гравитации, гравитон, но если рассматривать его как точечный объект как в стандартной модели , то это фееричный провал: Раз он крошечный, вокруг него возникает мегасильное гравитационное поле, такое, что оно порождает вторичные гравитоны, те, в свою очередь - другие поля, и так далее, до бесконечности. Насчёт других частиц ученые как-то разобрались, но вот что делать с гравитонами? Поэтому возникновение вторичных гравитонов не носит лавинообразный характер. Но что касается темной материи и тёмной энергии - Теория Струн не предлагает готового решения да-да!
Но она настолько гибкая, что наверняка сможет и их тоже объяснить. Надо только дать время доработать теорию... Похожее по теме... Говоря простыми словами, гравитация - это притяжение между двумя любыми объектами во вселенной.
Первая версия Теории Струн, разработанная ещё в 1960 годах, значительно отличается от текущей, вроде бы название почти одно и то же, а по сути - многое различно. Появилась Теория Суперструн, Суперсимметрия по сути мир, составленный из фотонов , и частицы, подтверждающие суперсимметрию, должны были бы быть найдены, но их пока НЕТ. Оказалось, что у Теории Струн очень много недостатков... Появилась теория уже не струн, а целых поверхностей и всё стало настолько сложным и запутанным, что...
Теория струн ЕЩЁ не сброшена со счетов, но уже не так популярна. По краткой доказательной базе: Огромный ускоритель с целую Галактику возможно помог бы определить - есть ли струны или нет, то есть доказательства пока нет.
Теория струн для чайников
Что, собственно, физики уже давно и с успехом наблюдают. Как по нотам Петли, составляющие частицы, не просто парят в пространстве. В теории струн они колеблются, причем множеством различных способов. В игре на гитаре в зависимости от толщины и длины струны последнюю мы регулируем, зажимая пальцами музыкант воспроизводит разные ноты. Разные колебания микрострун, в свою очередь, соответствуют разным частицам. Таким образом теория струн даёт единый способ описания всех видов материи. Почему теория струн нравится физикам Замена частиц на соответствующие им струны приводит к некоторым крайне важным следствиям. Изучив свойства колеблющейся петли, ученые пришли к выводу, что они удивительно схожи с характеристиками гравитона — на данный момент не открытой частицы, которой отводится роль переносчика гравитации. Теория струн, имеет все шансы разрешить главный спор в физике XX века — включить гравитационное взаимодействие в Стандартную модель.
Длина, ширина, высота Ни для кого не секрет, что мы живем в трехмерном мире — у каждого объекта есть длина, ширина и высота. К трем измерениям добавляется еще четвертое — время. Со временем ученые выяснили, что теория струн «работает» только в пространстве с десятью или одиннадцатью измерениями.
Поскольку теория струн использует квантовую механику, то, с одной стороны, последняя никак не меняется. С другой стороны, если в квантовой механике есть какие-то вопросы, которые нужно интерпретировать, то они есть и в теории струн. Все эти многомировые и прочие вещи тут присутствуют в полной мере. Сама же теория при этом никаких дополнительных факторов, требующих интерпретации, не привносит. То есть мы имеем дело с квантовомеханическими вопросами и только с ними. Теория всего - гипотетическая объединённая физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Первые три взаимодействия описываются в настоящий момент квантовой механикой, последнее - теорией относительности С другой стороны, в теории струн есть эффект, называемый двойственностью.
Его, если угодно, можно считать двоюродным братом вопроса интерпретации. Дело в том, что в теории одна и та же физическая ситуация допускает несколько математических описаний математических интерпретаций, если угодно. В некотором смысле противоположная история. Главное отличие двойственности в том, что это не источник споров или философских диспутов о том, как и что надо понимать, а мощный инструмент для работы. Расскажу из личного опыта. Некоторое время назад я как раз занимался зеркальной симметрией. Дело в том, что, как уже говорилось выше, дополнительные измерения в теории струн компактифицированы — то есть свернуты особым образом, так что на первый взгляд наш мир видится четырехмерным. Оказывается, возможные формы дополнительных измерений, то есть то, каким образом они свернуты, существуют парами. В каждой паре элементы могут отличаться геометрией, топологией, но при этом дают одну и ту же физическую теорию. Так как физика одна и та же, то один и тот же эксперимент — скажем, рассеивание частиц — дает информацию о строении сразу двух объектов.
Благодаря зеркальной симметрии физикам удается получить информацию о математике, которая стоит за этими объектами. То есть смотрите, пусть мы знаем, что наша теория описывает именно нашу Вселенную. Мы хотим предсказать результаты экспериментов по рассеиванию частиц. Начинаем считать — офигеть, не получается, слишком сложная математика. Тут мы вспоминаем о зеркальной симметрии и говорим себе: «Стоп! Мы же можем заменить одно пространство на другое, ведь физика, как известно, будет той же самой». Мы так поступаем, и оказывается, что в зеркально-симметричной ситуации тот же эксперимент описывается много проще и мы все можем посчитать. И что, есть примеры, когда эта схема работает? И таких примеров множество. Другое дело, что мы пока точно не знаем, каким параметрам соответствует именно наша Вселенная.
Вот в чем проблема. А как устроены эти симметрии, которые дают в результате два пространства? Исходное и зеркальное пространство связаны через подходящий орбифолд — грубо говоря, фактор многообразия по дискретной группе изометрий. А сама симметрия — это, конечно, просто действие Z2. Никаких континуальных симметрий, только дискретные. Вы говорите очень интересные вещи о математике. На первый взгляд математические утверждения можно получать только с помощью самой математики. А вы говорите, что можно что-то узнать с помощью эксперимента... Ну это относится даже не к теории струн, а ко всей физике элементарных частиц. То есть прямо так: строгие математические утверждения можно получать экспериментально?
Не понимаю, что вас смущает. Вот есть теория относительности Эйнштейна — математическая теория. Если наблюдать за движениями космических объектов, то можно много что узнать о геодезических свойствах самой метрики, которая фигурирует в уравнении Эйнштейна в поле тяжести массивного тела объекты малой массы движутся по геодезическим — кривым, являющимся решением подходящей системы дифференциальных уравнений — прим. Строгие математические факты. Так же и в теории элементарных частиц. Вы правы. А приведите примеры, какие факты удается узнать таким образом про компактифицированные пространства? Есть важный геометрический вопрос, касающийся этих компактифицированных пространств — сколькими вариантами в эти пространства можно вложить сферы. Речь здесь идет про вложение голоморфным образом — но это детали, они в данном случае не имеют значения. До вмешательства физиков математики могли ответить на этот вопрос только в случае, когда число вращения — то есть то, сколько раз такая сфера обмотана вокруг себя самой, — достаточно мало.
Один, два или три. Для чисел больше ничего известно не было. В теории струн оказалось, что эти числа связаны с амплитудами рассеивания. То есть для их подсчета достаточно было провести опыт, сделать преобразование Фурье, и первые, точно посчитанные коэффициенты в полученном ряду давали ровно то, что было нужно. Нужно больше коэффициентов? Просто проводим дополнительные эксперименты — и все. Сначала математики не поверили, конечно: мол, как так — мы бились, у нас ничего не получалось, а тут какой-то эксперимент и все? Но потом, поглядев на эти числа достаточно долго, они вдохновились и придумали, как решить задачу уже для произвольных чисел вращения. Теория струн не единственная претендует на звание теории всего. Расскажите про ее основных конкурентов.
Пожалуй, лучше всего развита петлевая квантовая гравитация. Чтобы понять основную идею, нужно сделать шаг назад. Необходимо понимать, что изначально физики пытались применить к уравнениям теории относительности стандартный подход квантовой механики, то есть проквантовать их так же, как, например, электромагнитное взаимодействие. Из этого ничего не получилось. Если обратиться к теории струн, то «квантованная» в некотором смысле гравитация там появляется сама собой. Она оказывается следствием фундаментальных свойств самой теории, нам не приходится насильно склеивать теорию относительности и квантовую механику. Петлевая же гравитация занимается именно этим, то есть пытается склеить ТО и квантовую механику. Для этого уравнения Эйнштейна переписываются совсем в другом но эквивалентном исходному, это важно виде, в совершенно других переменных. При этом оказывается, что в таком виде уравнения уже поддаются квантованию, пусть и не совсем классическому.
В теории струн это уже невозможно: слишком близко расположенные струны сливаются в струну [6]. Дуальности В середине 1980-х было установлено, что суперсимметрия , являющаяся центральным звеном теории струн [41] , может быть включена в неё не одним, а пятью различными способами, что приводит к пяти различным теориям: типа I, типов IIA и IIB, и две гетеротические струнные теории. Можно предположить, что только одна из них могла претендовать на роль «теории всего», причём та, которая при низких энергиях и компактифицированных шести дополнительных измерениях согласовывалась бы с реальными наблюдениями. Оставались открытыми вопросы о том, какая именно теория более адекватна и что делать с остальными четырьмя теориями [18] С. В ходе второй суперструнной революции было показано, что такое представление неверно: все пять суперструнных теорий тесно связаны друг с другом, являясь различными предельными случаями единой 11-мерной фундаментальной теории М-теория [18] [42]. Все пять суперструнных теорий связаны друг с другом преобразованиями, называемыми дуальностями [43]. Если две теории связаны между собой преобразованием дуальности дуальным преобразованием , это означает, что каждое явление и качество из одной теории в каком-нибудь предельном случае имеет свой аналог в другой теории, а также имеется некий своеобразный «словарь» перевода из одной теории в другую [44]. То есть дуальности связывают и величины, которые считались различными или даже взаимоисключающими. Большие и малые масштабы, сильные и слабые константы связи — эти величины всегда считались совершенно чёткими пределами поведения физических систем как в классической теории поля , так и в квантовой. Струны, тем не менее, могут устранять различия между большим и малым, сильным и слабым. Т-дуальность Основная статья: Т-дуальность Т-дуальность связана с симметрией в теории струн, применимой к струнным теориям типа IIA и IIB и двум гетеротическим струнным теориям. Преобразования Т-дуальности действуют в пространствах, в которых по крайней мере одна область имеет топологию окружности. Таким образом, меняя импульсные моды и винтовые моды струны, можно переключаться между крупным и мелким масштабом [46]. Другими словами связь теории типа IIA с теорией типа IIB означает, что их можно компактифицировать на окружность, а затем, поменяв винтовые и импульсные моды, а значит, и масштабы, можно увидеть, что теории поменялись местами. То же самое верно и для двух гетеротических теорий [47]. Благодаря этому оказывается возможным использовать теорию возмущений , которая справедлива для теорий с константой связи g много меньшей 1, по отношению к дуальным теориям с константой связи g много большей 1 [47]. Суперструнные теории связаны S-дуальностью следующим образом: суперструнная теория типа I S-дуальна гетеротической SO 32 теории, а теория типа IIB S-дуальна самой себе. U-дуальность Существует также симметрия, связывающая преобразования S-дуальности и T-дуальности. Она называется U-дуальностью и наиболее часто встречается в контексте так называемых U-дуальных групп симметрии в М-теории , определённых на конкретных топологических пространствах. U-дуальность представляет собой объединение в этих пространствах S-дуальности и T-дуальности, которые, как можно показать на D-бране , не коммутируют друг с другом [49]. Дополнительные измерения Интригующим предсказанием теории струн является многомерность Вселенной. Ни теория Максвелла , ни теории Эйнштейна не дают такого предсказания, поскольку предполагают число измерений заданным в теории относительности их четыре. Первым, кто добавил пятое измерение к эйнштейновским четырём, оказался немецкий математик Теодор Калуца 1919 год [50]. Обоснование ненаблюдаемости пятого измерения его компактности было предложено шведским физиком Оскаром Клейном в 1926 году [51]. Требование согласованности теории струн с релятивистской инвариантностью лоренц-инвариантностью налагает жёсткие требования на размерность пространства-времени, в котором она формулируется. Теория бозонных струн может быть построена только в 26-мерном пространстве-времени, а суперструнные теории — в 10-мерном [16].
В новой работе исследователи рассматривали двойственность двух видов теории струн — F-теории и гетеротической — в восьми измерениях. Теории струн быть Команда нашла четыре уникальных способа разрезать поверхности K3 особенно полезным способом, с помощью якобианских эллиптических расслоений — комплексов из нескольких волокон, по форме напоминающих батон или бублик. Исследователи построили явные уравнения для каждого из этих расслоений и показали, что концепции теории струн в реальном физическом мире имеют право на существование. 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. 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.
Теория струн: кратко и понятно о сложном. В чем она заключается?
| Симфония вселенной: теория струн для начинающих | Futurist - будущее уже здесь | Та материя, сутью которой являются струны, составляет только 5% массы Вселенной — ее видимая часть. |
| Теория струн простым языком | А теория струн может объединить эти две теории, например если сказать что световая волна это и есть струна с набором гармоник, которая и соответствует фотону. |
| Квантовая механика – следствие теории струн? | Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации. |
| Обнаружено новое доказательство теории струн — Странная планета | •Краткая история теории струн. |
| Теория струн простым языком | 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. |
Теория струн, Мультивселенная
| Теория струн кратко и понятно. Теория струн для чайников. | Наука для всех простыми словами | Зачем физики ищут симметрию между элементарными частицами, и почему для работы теории струн нужно двадцать шесть измерений. |
| Современное состояние теории струн | одно из направлений теоретической физики (можно сказать - физики элементарных частиц). |
| Теория струн — узнай главное на ПостНауке | Теория струн кратко и понятно. |