Сравнительно недавно появился подход, дающий возможность разрешить это противоречие — теория струн. 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. Объединить эти два подхода призвана теория струн. Кратко и понятно объяснить ее можно, используя аналогии в повседневной жизни.
Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи
Если теория струн это, в том числе, и теория гравитации, то как она соотносится с теорией тяготения Эйнштейна? 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. Теория струн позволила устранить эту проблему, хотя они и не опирается на теорию поля.
Теория струн простым языком
Зачем физики ищут симметрию между элементарными частицами, и почему для работы теории струн нужно двадцать шесть измерений. теория струн имеет значительное значение для понимания ранней Вселенной и происхождения нашей вселенной. Теория струн расширила симметрию до суперсимметрии, из которой следовало, что моды колебаний струны реализуются парами суперпартнёров, спин которых отличается на.
Теория струн для чайников
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. Они предполагают, что шесть или семь из них имеют очень малые размеры, порядка самой частицы, и на практике не наблюдаются. Впоследствии была даже придумана геометрическая форма сжатых измерений: физики предполагают, что они похожи на клубок спутанной пряжи. Из-за малых размеров мы просто не замечаем движения в них.
Это все хорошо, но… У теории струн есть один основной недостаток — она еще не описана математически.
Таким образом, теория струн должна рассматриваться как развивающееся направление, первые результаты которого уже продемонстрировали поразительное проникновение в сущность пространства, времени и материи. Главным успехом является гармоничный союз общей теории относительности и квантовой механики. Далее, в отличие от всех предшествующих теорий, теория струн отвечает на основополагающие вопросы, относящиеся к наиболее фундаментальным составным частям и взаимодействиям в природе.
Не менее важным, хотя это труднее передать, является замечательное изящество как ответов, которые дает теория, так и самой теоретической основы, позволяющей получать эти ответы. Например, в теории струн многие аспекты мироздания, которые могут показаться произвольными техническими деталями, такие, как число независимых фундаментальных частиц и их свойства, являются следствием неотъемлемых характеристик геометрии Вселенной. Если теория струн справедлива, микроскопическая структура нашей Вселенной представляет собой сложно переплетенный, многомерный лабиринт, в котором струны Вселенной бесконечно закручиваются и вибрируют, ритмично отбивая законы космоса. Свойства основных кирпичиков мироздания, — будучи совсем не случайными, — глубоко связаны со структурой пространства и времени.
В конечном счете, однако, ничто не может заменить четко определенных, поддающихся проверке предсказаний, которые смогут показать, действительно ли теория струн в состоянии поднять завесу тайны, скрывающую глубочайшие истины нашей Вселенной. Может пройти некоторое время, прежде чем наш уровень понимания достигнет глубины, достаточной для достижения этой цели, хотя, как будет показано в главе 9, экспериментальные проверки могут дать сильную и всестороннюю поддержку теории струн в течение ближайшего десятилетия. Более того, в главе 13 мы увидим, что теория струн недавно позволила решить одну из центральных проблем черных дыр, связанную с так называемой энтропией Бекенштейна— Хокинга, задачу, которая более двадцати пяти лет упорно сопротивлялась решению более традиционными методами.
Читайте также: Находка в Арктике перевернула представление об истории с ног на голову Проблемы и особенности Как и любая неподтвержденная теория, теория струн имеет ряд проблем, которые говорят о том, что она требует доработки.
В число этих проблем входит, к примеру, таковая — в результате вычислений математически был новый тип частиц, которые не могут существовать в природе — тахионы, квадрат массы которых меньше нуля, а скорость перемещения превышает скорость света. Другой же важной проблемой, или скорее особенностью есть существование теории струн лишь в 10-мерном пространстве. Почему же мы воспринимаем другие измерения? Развитие Существует два типа частиц: фермионы — частицы вещества, и бозоны — переносчики взаимодействия.
Что такое теория струн и может ли она открыть дверь в другие измерения Фото: Unsplash Теория струн — один из самых популярных и непонятных физических терминов. Почему обычное представление о частицах не совсем верно Многие из нас, услышав словосочетание «элементарные частицы», представляют маленькие крупинки или шарики. При этом может казаться, что все объекты во Вселенной складывается из этих крупинок, как монолиты. Однако любые представления необходимо проверять независимым способом, и ученые после ряда экспериментов пришли к мнению, что элементарные частицы не всегда корректно представлять материальными точками. Это только математическая идеализация, которая подходит для описания определенного класса наблюдений. То есть не во всех экспериментах элементарные частицы похожи на какие-то маленькие шарики. Например, при достаточно высоких энергиях они иногда ведут себя, как волны. Кроме того, исследователи поняли, что их длина связана с переносимой ими энергией: чем выше энергия, тем короче длина волны.
Частицы действительно выглядят как струны? Заряженные частицы получают в ускорителе частиц. Чем больше становится энергия частиц при столкновении в нем, тем значительнее уменьшаются расстояния, которые мы можем на нем «прощупать». На ускорителях физики и проверяют свои умозрительные заключения. Теория струн предсказывает, что если провести эксперимент при еще более высоких энергиях намного больше, чем те огромные энергии, что реализуются на современных коллайдерах , то каждая элементарная частица будет вести себя как двумерная вселенная, которая в заданный момент времени похожа на струну или очень тонкую резинку.
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. это активная исследовательская платформа в области физики элементарных частиц, которая пытается согласовать квантовую механику и общую теорию относительности. Если теория струн это, в том числе, и теория гравитации, то как она соотносится с теорией тяготения Эйнштейна? Эти достижения убедили многих физиков, что теория струн способна выполнить свои обещания и стать окончательной объединяющей теорией.
Что такое теория струн
Не так давно физический мир облетела новость: знаменитая теория струн несовместима с существованием тёмной энергии, какой её себе представляет большинство космологов. Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Теория струн, обобщение квантовой теории поля (КТП), связанное с ослаблением требований локальности и перенормируемости, открывшее возможность. Просто о сложном_ структура Вселенной, квантовая физика, теория относительности. Теория струн в принципе может нам это объяснить, и вывести параметры элементарных частиц и их взаимодействий через фундаментальные физические константы типа скорости света или постоянной Планка. Если теория струн это, в том числе, и теория гравитации, то как она соотносится с теорией тяготения Эйнштейна?
Теория струн, или Теория всего
Пространство и время в нем настолько искривлены и переплетены, что там нет обычных понятий левого и правого, верха и низа, и даже до и после. Не существует способа сказать наверняка, в какой именно точке пространства находится в данный момент та или иная частица, и каков при этом момент ее импульса. Существует лишь некая вероятность нахождения частицы во множестве областей пространства - времени. Частицы на субатомном уровне словно "Размазаны" по пространству.
Мало этого, не определен и сам "Статус" частиц: в одних случаях они ведут себя как волны, в других - проявляют свойства частиц. Это то, что физики называют корпускулярно-волновым дуализмом квантовой механики. В общей теории относительности, словно в государстве с противоположными законами, дело обстоит принципиально иначе.
Пространство представляется похожим на батут - гладкую ткань, которую могут изгибать и растягивать объекты, обладающие массой. Они создают деформации пространства - времени - то, что мы ощущаем как гравитацию. Стоит ли говорить, что стройная, правильная и предсказуемая общая теория относительности находится в неразрешимом конфликте с "Взбалмошной Хулиганкой" - квантовой механикой, и, как следствие, макромир не может "помириться" с микромиром.
Вот тут на помощь и приходит теория струн. Теория всего. 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.
Многие ученые уверены, что всё, от изысканного танца галактик до безумной пляски субатомных частиц, может в итоге объясняться всего одним фундаментальным физическим принципом. Может быть - даже единым законом, который объединяет все виды энергии, частиц и взаимодействий в какой-нибудь элегантной формуле. Ото описывает одну из самых известных сил вселенной - гравитацию.
Квантовая механика описывает три других силы: сильное ядерное взаимодействие, которое склеивает протоны и нейтроны в атомах, электромагнетизм и слабое взаимодействие, которое участвует в радиоактивном распаде. Любое событие в мироздании, от ионизации атома до рождения звезды, описывается взаимодействиями материи посредством этих четырех сил. С помощью сложнейшей математики удалось показать, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют общую природу, объединив их в единое электрослабое.
Впоследствии к ним добавилось и сильное ядерное взаимодействие - но вот гравитация к ним не присоединяется никак. Теория струн - одна из самых серьезных кандидаток на то, чтобы соединить все четыре силы, а, значит, объять все явления во вселенной - недаром ее еще называют "Теорией Всего". Вначале был миф.
До сих пор далеко не все физики пребывают в восторге от теории струн. А на заре ее появления она и вовсе казалась бесконечно далекой от реальности. Само ее рождение - легенда.
В конце 1960-х годов молодой итальянский физик - теоретик Габриэле венециано искал уравнения, которые смогли бы объяснить сильные ядерные взаимодействия - чрезвычайно мощный "Клей", который скрепляет ядра атомов, связывая воедино протоны и нейтроны. Согласно легенде, как-то он случайно наткнулся на пыльную книгу по истории математики, в которой нашел уравнение двухсотлетней давности, впервые записанное швейцарским математиком Леонардом Эйлером. Каково же было удивление венециано, когда он обнаружил, что уравнение Эйлера, которое долгое время считали ничем иным, как математической диковинкой, описывает это сильное взаимодействие.
Как же было на самом деле? Уравнение, вероятно, стало результатом долгих лет работы венециано, а случай лишь помог сделать первый шаг к открытию теории струн. Уравнение Эйлера, чудесным образом объяснившее сильное взаимодействие, обрело новую жизнь.
В конце концов, оно попалось на глаза молодому американскому физику - теоретику Леонарду сасскинду, который увидел, что в первую очередь формула описывала частицы, которые не имели внутренней структуры и могли вибрировать. Эти частицы вели себя так, что не могли быть просто точечными частицами. Сасскинд понял - формула описывает нить, которая подобна упругой резинке.
Она могла не только растягиваться и сжиматься, но и колебаться, извиваться. Описав свое открытие, сасскинд представил революционную идею струн. К сожалению, подавляющее большинство его коллег встретили теорию весьма прохладно.
Стандартная модель. В то время общепринятая наука представляла частицы точками, а не струнами. В течение многих лет физики исследовали поведение субатомных частиц, сталкивая их на высоких скоростях и изучая последствия этих столкновений.
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. Чем больше этих частиц - переносчиков - тех же фотонов, которыми обмениваются частицы материи, тем ярче свет. Ученые предсказывали, что именно этот обмен частицами - переносчиками - есть не что иное, как то, что мы воспринимаем как силу.
Это подтвердилось экспериментами. Так физикам удалось приблизиться к мечте Эйнштейна по объединению сил. Ученые считают, что если мы перенесемся к моменту сразу после большого взрыва, когда вселенная была на триллионы градусов горячее, частицы - переносчики электромагнетизма и слабого взаимодействия станут неразличимы и объединятся в одну - един ственную силу, называемую электрослабой.
А если вернуться во времени еще дальше, то электрослабое взаимодействие соединилось бы с сильным в одну суммарную "Суперсилу". Несмотря на то, что все это еще ждет своих доказательств, квантовая механика вдруг объяснила, как три из четырех сил взаимодействуют на субатомном уровне. Причем объяснила красиво и непротиворечиво.
Эта стройная картина взаимодействий, в конечном счете, получила название стандартной модели. Но, увы, и в этой совершенной теории была одна большая проблема - она не включала в себя самую известную силу макроуровня - гравитацию.
Но, раз это у кого-то все же получилось, пожалуй, я попробую. Не обещаю, что это будет краткий экскурс, потому что для того, чтобы разобраться в этом, пары слов будет недостаточно. Но я все же постараюсь объяснить это максимально доступно. Итак, начинаем: теория струн для чайников от такого же чайника. Теория струн предполагает, что в нашей Вселенной существует гораздо больше измерений, чем четыре нам привычные: три пространственных плюс время.
Проблемы с объяснением этой теории возникают не только у обывателей, но и у ученых. Весьма сложно соединить все основы типа гравитации и магнитных полей в одно целое. Физики хотели получить единую Теорию Всего, и вывели теорию суперструн. А что дальше с ней делать, как это все объяснить, никто не знает. 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.
Давайте договоримся, что если мы вдруг докажем Вам, что даже на этот вопрос у Вас не найдётся адекватного ответа, то Вы, в дальнейшем, всегда первым делом будете пытаться понять, что, как, ради чего, кому и в каком контексте говориться то или иное и ЧТО при этом не договаривается? Ваша эмоциональная реакция понятна. Но ЭМОЦИИ, позволяющие ориентироваться в мгновения настоящего с учётом всей бесконечности прошлого опыта полезны, но лишь в том случае, в котором они высвечивают направление по которому движение, вызвавшее данное эмоциональное СОСТОЯНИЕ будет эволюционировать и в дальнейшем. Эфир это та реальность, которая позволяет понять первоистоки многого. До Эйнштейна было множество ученых,которые успешно отвечали на вопрос" Как устроен этот мир? Все естественно. Время меняется.
Обычная идея гласит, что внутри кварков нет ничего, но теория струн гласит, что вы найдете крошечную нитку, похожую на струну. Они похожи на струну на скрипке: когда вы отрываете струну, она вибрирует и создает небольшую музыкальную ноту. Иллюстрация струны Однако крошечные струны в теории струн не дают музыкальных нот. Вместо этого, когда они вибрируют, они сами производят частицы. Каждый тип вибрации соответствует различным частицам. Следовательно, кварк - это не что иное, как струна, вибрирующая по одной схеме, а электрон - это не что иное, как струна, вибрирующая по другой схеме. Так что, если вы соберете все эти частицы обратно вместе, яблоко будет не чем иным, как связкой вибраций в струнах. Если теория струн верна она все еще не доказана , все вещи во вселенной - не что иное, как танцующая вибрирующая космическая симфония струн. Дополнительное измерение На данный момент теория струн является простой идеей. Нет прямых экспериментальных доказательств того, что это правильное описание природы. Теория струн требует от нас принять существование дополнительного измерения во вселенной. Суперсимметрия Во Вселенной существует два основных класса элементарных частиц: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между этими двумя частицами существует связь, называемая суперсимметрией, при которой для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот. Принцип суперсимметрии был открыт вне теории струн. Однако его включение в теорию струн позволяет определенному члену в уравнениях вычеркнуть и придать смысл. Без этого принципа уравнения теории струн приводят к физическим несоответствиям, таким как воображаемые уровни энергии и бесконечные значения. Другими словами, объединение идеи суперсимметрии с теорией струн дает лучшую теорию, теорию суперструн. Физики надеются, что эксперименты с ускорителями частиц и астрономические наблюдения позволят выявить несколько суперсимметричных частиц, что обеспечит поддержку теоретических основ теории струн. Объединение сил Современная физика имеет два совершенно разных закона: общая теория относительности и квантовая механика. Относительность изучает большие объекты в масштабе планет, галактик и вселенной, в то время как квантовая механика имеет тенденцию изучать крошечные объекты в природе на самых маленьких масштабах энергетических уровней атомов и субатомных частиц. Не совсем понятно, как гравитация влияет на мельчайшие частицы.