Самые интересные и оперативные новости из мира высоких технологий. Просто о сложном_ структура Вселенной, квантовая физика, теория относительности. Теория струн, имеет все шансы разрешить главный спор в физике XX века – включить гравитационное взаимодействие в Стандартную модель.
Что такое теория струн? Простой обзор
Теория струн может и не станет теорией всего, но это хотя бы теория чего-то. 1) «Теория струн» в первоначальном виде сама по себе уже устарела и сейчас это название закрепилось не за первоначальной теорией, а за целым семейством – собственно теория струн, теория суперструн и М-теория. Стромиджер и Вафа, струнные теоретики, с помощью теории струн смогли отыскать микроскопические компоненты чёрных дыр экстремального типа. Почта Мой МирОдноклассникиВКонтакте Игры Знакомства Новости Поиск Облако VK Combo Все проектыВсе проекты.
Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи
Теория струн, пожалуй, самая спорная большая идея во всей сегодняшней науке – Самые лучшие и интересные новости по теме: Атом, бозон Хиггса, квантовая физика на развлекательном портале Главное преимущество теории струн является ее способность объединить общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику. 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. Теория струн применима к познанию строения микромира не в том смысле, что там кругом висят верёвочки, а что описание происходящих в микромире процессов математически сходно с описанием неких “струн”. 20–минутное видео о теории струн. Про эту теорию впервые прочитал в журнале "Юный техник" ещё в школе.
Теория струн: кратко и понятно о сложном. В чем она заключается?
Струнные модели также обладают различными симметриями, которые определяют их свойства и поведение. Некоторые из них включают конформную симметрию, которая сохраняется при преобразованиях масштаба, и симметрию Пуанкаре, которая описывает инвариантность физических законов относительно преобразований пространства и времени. Уникальные математические свойства и симфония гравитации и квантовой механики Квантовая теория струн имеет уникальные математические свойства, которые делают ее сложной и интересной для исследования. Она требует использования различных математических инструментов, таких как теория групп, топология и теория функций.
Математические методы, используемые в квантовой теории струн, часто связаны с алгебрами Ли, теорией представлений и дифференциальной геометрией. Квантовая теория струн также стремится объединить гравитацию и квантовую механику, две фундаментальные теории, которые до сих пор не были полностью совмещены. Она предлагает новый подход к объединению этих двух теорий, позволяя описывать гравитацию в терминах квантовых объектов — струн.
Это открывает новые возможности для понимания природы пространства, времени и гравитационных взаимодействий. Применение квантовой теории струн Квантовая теория струн имеет широкий спектр применений и вносит значительный вклад в различные области физики. Вот некоторые из них: Связь с теорией поля и инфляцией Вселенной Квантовая теория струн предлагает новый подход к объединению теории гравитации и теории поля.
Она позволяет описывать гравитацию в терминах квантовых объектов — струн, что открывает новые возможности для понимания взаимодействия между элементарными частицами и гравитацией. Это может привести к разработке единой теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия в природе. Квантовая теория струн также имеет важное значение для теории инфляции Вселенной.
Инфляция — это модель, которая объясняет быстрое расширение Вселенной в первые моменты ее существования. Квантовая теория струн может предложить новые механизмы, которые могут объяснить происхождение и свойства инфляционного поля. Вклад в единое поле физики элементарных частиц Квантовая теория струн играет важную роль в поиске единой теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы.
Она предлагает новый подход к объединению гравитации и других фундаментальных сил, таких как электромагнитная, сильная и слабая силы. Квантовая теория струн может быть ключом к пониманию природы и происхождения всех фундаментальных частиц и взаимодействий. Кроме того, квантовая теория струн может предложить новые модели элементарных частиц, которые могут быть проверены экспериментально.
Она может предсказать существование новых частиц, таких как суперсимметричные партнеры известных частиц, которые могут быть обнаружены на ускорителях частиц или в космических экспериментах. Перспективы и возможности для дальнейших исследований Квантовая теория струн остается активной областью исследований, и у нее есть много перспектив и возможностей для дальнейших разработок. Ученые продолжают исследовать различные аспекты теории струн, такие как сверхсимметрия, дополнительные измерения и свойства струнных моделей.
Одной из перспективных областей исследований является разработка математических методов и техник, которые позволят более точно описывать и анализировать свойства и поведение струнных моделей. Это может привести к новым математическим открытиям и развитию смежных областей физики и математики. 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.
Основные элементы теории Экспериментальных доказательств верности теории струн пока нет, но физики, работающие над ней, выделяют несколько обязательных элементов этой гипотезы: Дополнительные измерения.
Чтобы «струны Вселенной», из которых могут состоять все предметы, действительно работали, измерений должно быть не меньше десяти. Суперсимметрия, под которой понимается связь между двумя классами элементарных частиц — фермионами и бозонами. Объединение сил.
Идея о струнах объединяет принципы теории относительности и квантовой механики, которые формулируют основы устройства Вселенной. Открытые и закрытые струны, взаимодействующие между собой.
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. Суть его состоит в попытке отождествления квантовой теории поля и струнных моделей с каким-то объединением этих моделей.
Другими словами, эти модели в рамках такого подхода отождествляются с различными фазами единой теории, в которые попадает система при определенных условиях. Следующим шагом должно быть создание динамики на этом пространстве.
Физики Йохиро Намбу, Холгер Нильсен и Леонард Сасскинд размышляли: почему старинная формула так легко подошла и какой физический смысл таится в этой сложной математике? К 1970 году им стало ясно, что сильное взаимодействие элементарных частиц превосходно описывается с помощью бета-функции Эйлера, если представлять их в виде крошечных колеблющихся одномерных струн. Эти невидимые человеческому глазу нити ученые воображали как замкнутые — в виде колец — и как открытые. Было решено, что длина струн настолько мала, что их с натяжкой можно рассматривать как точки, а значит, для фундаментальной физики ничего не изменилось. Так возникло понятие «квантовая струна» — под ним подразумевается бесконечно тонкие одномерные объекты длиной в 10—35 м, колебания которых воспроизводят все многообразие элементарных частиц.
Это была настоящая революция в мире физики, так как все ранее открытые «ингредиенты Вселенной» электроны, протоны, нейтроны и пр. Струны более массивных частиц совершают более интенсивные колебания, а струны более легких частиц колеблются менее интенсивно. В конечном итоге колебания на определенной частоте определяют свойства струн: массу и электрический заряд, что позволяет отнести их к определенной разновидности фундаментальных частиц, будь то кварк, фотон, глюон и др. Уровни строения мира. Макроскопический — вещество. Атомный — протоны, нейтроны и электроны. Субатомный — электрон.
Субатомный — кварки. Струнный От пяти теорий к одной Теория струн оказалась крепким орешком даже для самых высоколобых ученых.
Теория струн кратко и понятно. Теория струн для чайников.
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. Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений. Теория струн предполагает, что в нашей Вселенной существует гораздо больше измерений, чем четыре нам привычные: три пространственных плюс время. Теория струн предположительно решает эту проблему и стремится описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации. 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. О чем теория струн? Самое простое и понятное объяснение.
Теория струн, Мультивселенная
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 г. Обоснование ненаблюдаемости пятого измерения его компактности было предложено шведским физиком Оскаром Клейном в 1926 г. 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. Поскольку мы, согласно специальной теории относительности , существуем в четырёхмерном пространстве-времени, необходимо объяснить, почему остальные дополнительные измерения оказываются ненаблюдаемыми. В распоряжении теории суперструн имеется два таких механизма. Компактификация[ Файл:Calabi-Yau. Шестимерное разложение моделей достигается с помощью пространств Калаби — Яу.
Стандартная аналогия, используемая при рассмотрении многомерного пространства, — садовый шланг. Если наблюдать шланг с достаточно далекого расстояния, будет казаться, что он имеет только одно измерение — длину. Но если приблизиться к нему, обнаруживается его второе измерение — окружность. Истинное движение муравья, ползающего по поверхности шланга, двумерно, однако издалека оно нам будет казаться одномерным. Дополнительное измерение доступно наблюдению только с относительно близкого расстояния, поэтому и дополнительные измерения пространства Калаби — Яу доступны наблюдению только с чрезвычайно близкого расстояния, то есть практически не обнаруживаемы. Локализация[ ] Другой вариант — локализация — состоит в том, что дополнительные измерения не столь малы, однако в силу ряда причин все частицы нашего мира локализованы на четырёхмерном листе в многомерной вселенной мультивселенной и не могут его покинуть. Этот четырёхмерный лист брана и есть наблюдаемая часть мультивселенной. Поскольку мы, как и вся наша техника, состоим из обычных частиц, то мы в принципе неспособны взглянуть вовне.
Единственная возможность обнаружить присутствие дополнительных измерений — гравитация. Гравитация, будучи результатом искривления пространства-времени, не локализована на бране, и потому гравитоны и микроскопические чёрные дыры могут выходить вовне. В наблюдаемом мире такой процесс будет выглядеть как внезапное исчезновение энергии и импульса, уносимых этими объектами. Проблемы[ Возможность критического эксперимента[ ] Теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не даёт однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в критическом эксперименте. Таким образом, теория струн находится пока в «зачаточной стадии»: она обладает множеством привлекательных математических особенностей и может стать чрезвычайно важной в понимании устройства Вселенной, но требуется дальнейшая разработка для того, чтобы принять её или отвергнуть. Поскольку теорию струн, скорее всего, нельзя будет проверить в обозримом будущем в силу технологических ограничений, некоторые ученые сомневаются, заслуживает ли данная теория статуса научной, поскольку, по их мнению, она не является фальсифицируемой в попперовском смысле. Разумеется, это само по себе не является основанием считать теорию суперструн неверной. Многие новые теоретические конструкции проходят стадию неопределённости, прежде чем, на основании сопоставления с результатами экспериментов, признаются или отвергаются.
Поэтому и в случае теории суперструн требуется либо развитие самой теории, то есть методов расчёта и получения выводов, либо развитие экспериментальной науки для исследования ранее недоступных величин. Фальсифицируемость и проблема ландшафта[ ] В 2003 году выяснилось [3] , что существует множество способов свести 10-мерные суперструнные теории к 4-мерной эффективной теории поля. Сама теория струн не давала критерия, с помощью которого можно было бы определить, какой из возможных путей редукции предпочтителен. Каждый из вариантов редукции 10-мерной теории порождает свой 4-мерный мир, который может напоминать, а может и отличаться от наблюдаемого мира. Всю совокупность возможных реализаций низкоэнергетического мира из исходной суперструнной теории называют ландшафтом теории. Оказывается, количество таких вариантов поистине огромно. Считается, что их число составляет как минимум 10100; не исключено, что их вообще бесконечное число. В результате получается удручающая картина.
Это подтолкнуло физиков к необычному и потрясающему предсказанию - они поняли, что силы, действующие в природе, также можно объяснить с помощью частиц. То есть существуют частицы материи, а есть частицы - переносчики взаимодействий. Таковым, например, является фотон - частица света. Чем больше этих частиц - переносчиков - тех же фотонов, которыми обмениваются частицы материи, тем ярче свет. Ученые предсказывали, что именно этот обмен частицами - переносчиками - есть не что иное, как то, что мы воспринимаем как силу. Это подтвердилось экспериментами. Так физикам удалось приблизиться к мечте Эйнштейна по объединению сил. Ученые считают, что если мы перенесемся к моменту сразу после большого взрыва, когда вселенная была на триллионы градусов горячее, частицы - переносчики электромагнетизма и слабого взаимодействия станут неразличимы и объединятся в одну - един ственную силу, называемую электрослабой. А если вернуться во времени еще дальше, то электрослабое взаимодействие соединилось бы с сильным в одну суммарную "Суперсилу". Несмотря на то, что все это еще ждет своих доказательств, квантовая механика вдруг объяснила, как три из четырех сил взаимодействуют на субатомном уровне.
Причем объяснила красиво и непротиворечиво. Эта стройная картина взаимодействий, в конечном счете, получила название стандартной модели. Но, увы, и в этой совершенной теории была одна большая проблема - она не включала в себя самую известную силу макроуровня - гравитацию. Для не успевшей "Расцвести" теории струн наступила "осень", уж слишком много проблем она содержала с самого рождения. Например, выкладки теории предсказали существование частиц, которых, как точно установили вскоре, не существует. Это так называемый тахион - частица, которая движется в вакууме быстрее света. Помимо прочего выяснилось, что теория требует целых 10 измерений. Неудивительно, что это очень смущало физиков, ведь это очевидно больше, чем то, что мы видим. К 1973 году только несколько молодых физиков все еще боролись с загадочными выкладками теории струн. Одним из них был американский физик - теоретик Джон Шварц.
В течение четырех лет Шварц пытался приручить непослушные уравнения, но без толку. Помимо других проблем, одно из этих уравнений упорно описывало таинственную частицу, которая не имела массы и не наблюдалась в природе. Ученый уже решил забросить свое гиблое дело, и тут его осенило - может быть, уравнения теории струн описывают, в том числе, и гравитацию? Впрочем, это подразумевало пересмотр размеров главных "Героев" теории - струн. Предположив, что струны в миллиарды и миллиарды раз меньше атома, "Струнщики" превратили недостаток теории в ее достоинство. Таинственная частица, от которой Джон Шварц так настойчиво пытался избавиться, теперь выступала в качестве гравитона - частицы, которую долго искали и которая позволила бы перенести гравитацию на квантовый уровень. Именно так теория струн дополнила пазл гравитацией, отсутствующей в стандартной модели. Но, увы, даже на это открытие научное сообщество никак не отреагировало. Теория струн оставалась на грани выживания. Но Шварца это не остановило.
Присоединиться к его поискам захотел только один ученый, готовый рискнуть своей карьерой ради таинственных струн - Майкл Грин. Субатомные матрешки. Несмотря ни на что, в начале 1980-х годов теория струн все еще имела неразрешимые противоречия, называемые в науке аномалиями. Шварц и Грин принялись за их устранение. И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Каково же было изумление этих двоих, уже привыкших к тому, что их теорию пропускают мимо ушей, когда реакция ученого сообщества взорвала научный мир. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек. Именно тогда теорию струн наградили титулом теории всего. Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания. И вот эти составляющие.
Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц - электронов, которые кружатся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц - кварков. Но теория струн утверждает, что на кварках дело не заканчивается. Кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны. Каждая из таких струн невообразимо мала. Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров солнечной системы, струна была бы размером с дерево. Так же, как различные колебания струны виолончели создают то, что мы слышим, как разные музыкальные ноты, различные способы моды вибрации струны придают частицам их уникальные свойства - массу, заряд и прочее. Знаете, чем, условно говоря, отличаются протоны в кончике вашего ногтя от пока не открытого гравитона? Только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются. Конечно, все это более чем удивительно.
Еще со времен древней Греции физики привыкли к тому, что все в этом мире состоит из чего-то вроде шаров, крошечных частиц. И вот, не успев привыкнуть к алогичному поведению этих шаров, вытекающему из квантовой механики, им предлагается вовсе оставить парадигму и оперировать какими-то обрезками спагетти. Как устроен мир. Науке сегодня известен набор чисел, которые являются фундаментальными постоянными вселенной. 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.
Вернее энергия первична, а материя вторична. Десять измерений которые куда то мелко свернуты... Ребята, по моему ваша математика окончательно оторвалась от реальности. Пора вводить новый термин: научная сингулярность. Это когда вычисления зашли так далеко что окончательно потеряли какую бы то ни было связь с реальностью, но ученые остановиться не могут. Особенно в этом преуспел Хокинс, возможно потому что его мозг имеет весьма ограниченную связь с этим миром и он придумывает какой то свой виртуальный мир, внутренне как бы логичный, но абсолютно фантастический. Я тоже хочу спросить "Почему?
Денис Передельский Международная команда астрофизиков во главе с Кристофером Рейнольдсом из Кембриджского университета при помощи рентгеновской обсерватории "Чандра" Chandra X-ray Observatory провела тестирование кластера галактик, чтобы найти теоретически предсказанную частицу аксион. Эксперимент не имел успеха, что поставило под сомнение знаменитую теорию струн. Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal, а коротко о нем рассказывает Phys. Теория струн основана на идее физики о том, что все известные силы, частицы и взаимодействия могут быть связаны. То есть это "теория всего", которая дает понимание о природе Вселенной. Многие модели теории струн предсказывают, что во Вселенной должна существовать частица под названием "аксион". Ученые считают, что если эту частицу удастся обнаружить экспериментально, то это навсегда изменит физику. Именно такую задачу и поставила перед собой команда исследователей.
Современное состояние теории струн
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. Парадокс заключается в том, что все пять версий на сегодняшний день можно назвать одинаково верными. Однако доказать наличие струн экспериментальным путем так никому и не удалось. И все же, несмотря на весь скептицизм и критику теории струн, новая работа доказывает ее право на существование. Таким образом, нельзя исключать теорию струн из списка потенциальных кндидатов Теории Всего — универсальной теории, объединяющей все наши знания о мире и Вселенной.
Поделитесь в социальных сетях.
Суперсимметрия Существует два класса элементарных частиц: бозоны и фермионы.
Согласно Теории струн, между этими частицами существует суперсимметрия: напротив каждого фермиона есть свой бозон. Это правило исключает существование воображаемого уровня энергии и придает смысл самой теории. Объединение сил Теория относительности изучает большие объекты всей вселенной, квантовая механика фокусируется на крошечных объектах, субатомных частицах.
Причем в физике нет четкого объяснения, как гравитация влияет на эти субатомные частицы. Теория струн предположительно решает эту проблему и стремится описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации. Закрытые струны Струны имеют две формы: закрытые и открытые.
Последние могут свободно присоединяться к концам другой струны и формировать новую. Закрытые струны помогают физикам описывать гравитацию в квантовой механике.
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.
Они напоминали свойства глюонов. Это давало возможность предположить, что существует теория сильного взаимодействия. В 70-е годы прошлого века европейские ученые смогли сделать громкое предположение, что превращало недостаток и пробел в квантовой теории струн в достоинство. Они изучили странные моды колебаний струн, которые напоминали частицы-переносчики. Свойства точным образом совпадали с предполагаемыми свойствами гипотетической частицы-переносчика гравитационного взаимодействия. Его называли гравитоном. Гипотетические сверхмалые частицы гравитона до сих пор не удалось обнаружить, однако исследователи сегодня могут предсказать некоторые фундаментальные свойства, которыми должны обладать эти частицы. Особенности теории струн Европейские ученые заявил, что у них есть предположения, согласно которым теория струн обладает примечательными свойствами. Теперь ее нарекли не простой теорией сильного взаимодействия, а квантовой теорией, где свою основную роль играет гравитация. Однако вновь дальнейшее развертывание новых исследований неизменно натыкалось на непреодолимый клубок новых ошибок и противоречий. Гравитационная сила вновь смогла устоять перед попыткой встроить ее в описание мироздания на микроскопическом уровне.
Что такое теория струн и может ли она открыть дверь в другие измерения
Одним из первых придал этому наблюдению математическую форму итальянский физик Габриэле Венециано. Тогда, в 1960-х годах, исследователи пытались найти теорию, которая бы точно предсказывала спектр масс частиц в обсуждаемых семьях. К сожалению, полного сходства с реальностью не получалось. Однако ученые заметили, что в спектре струны возникали частицы, которые имели те же свойства, что и фотоны в случае открытой струны , и гравитоны в случае замкнутой струны. Так и возникла идея попробовать применить создаваемую теорию для описания гравитации и других фундаментальных теорий, а не к описанию поведения адронов — частиц, возникающих в ядерных реакциях. Футурология Загадочные частицы: что ученые знают о космических лучах Как теория струн стала «теорией всего» Где-то к началу 1980-х ученые поняли, что теория струн, изначально придуманная для описания взаимодействий адронов, имеет более фундаментальный характер. Тогда и началась так называемая «струнная революция». Около 20 лет эта концепция была основным локомотивом развития фундаментальной физики. Существовала надежда, что она объяснит не только природу всех элементарных частиц, но и размерность того пространства-времени, в котором мы живем. Важно также, что появлялся единый общий взгляд на все существующие типы частиц. Однако не все чаяния оправдались, поэтому где-то в 2000-х годах интерес к теории струн начал угасать, и сейчас ажиотаж стих.
Тем не менее, теория струн обогатила физику и математику методами вычисления, новыми фактами и формулами. Теория струн правда предсказывает дополнительные измерения в пространстве-времени?
Глюлны, фотоны и бозоны - переносчики взаимодействий. Перекидываясь ими частицы притягиваются или ооталкиваются в зависимости от заряда и других параметров. Именно так возникают силы, они определяют размеры, форму, стабильность ядер, атомов и молекул.
Бозон Хиггса, кстати, самый бесполезный, но... Можно сказать, что это некая "современная таблица Менделеева" - это состав, ингридиенты, из которых состоит Вселенная. Зачем нужны другие частицы - пока непонятно : Весь этот набор назвают "Стандартной моделью". Надо отметить, что в ней все частицы являются точками, не имеющими размеров, их рисуют шариками скорее для красоты. 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.
Однако многие из физиков быстро пришли к выводу, что ситуация с четвёртым взаимодействием в природе — гравитацией, гораздо тоньше. Как только уравнения общей теории относительности объединяются с уравнениями квантовой теории, математика начинает бунтовать. Совместное использование уравнений для вычисления квантовой вероятности некоторых физических процессов — таких как вероятность того, что два электрона оттолкнутся друг от друга — как правило, приводит к ответу бесконечность. Но вероятности бесконечными быть не могут. По определению значение вероятности должно находиться между 0 и 1 между 0 и 100, если считать в процентах. Бесконечная вероятность шлёт очевидный математический намёк: совместное использование уравнений бессмысленно.
Физики выяснили, что проблема кроется в дрожании и флуктуациях из-за квантовой неопределённости. Математические методы квантовой теории поля были разработаны для анализа флуктуаций сильных, слабых и электромагнитных полей, но, при их применении к гравитационному полю — полю, которое определяет кривизну пространства-времени, — оказалось, что они бесполезны. Целое поколение физиков боролось с квантовыми флуктуациями, и к началу 1970-х годов были развиты математические методы, адекватно описывающие квантовые свойства негравитационных полей. Однако флуктуации гравитационного поля качественно другие. Они больше похожи на землетрясение. Поскольку гравитационное поле вплетено в саму ткань пространства-времени, квантовые флуктуации сотрясают всю его структуру вдоль и поперёк. Математические методы, используемые для анализа таких всеобъемлющих квантовых флуктуаций, перестают работать. В течение многих лет физики смотрели сквозь пальцы на эту проблему, потому что она возникает только при весьма экстремальных условиях.
Гравитация вступает в игру, когда объекты очень массивны, а квантовая механика — когда их размер очень мал. Редко бывает, чтобы предмет был одновременно и массивный, и малым. Однако подобные ситуации возникают. Когда гравитация и квантовая механика применяются для описания или Большого взрыва, или чёрных дыр, то есть когда действительно огромная масса вещества сжимается до небольших размеров, математические методы перестают работать. Насколько массивным и малым должна быть физическая система, для того чтобы и гравитация, и квантовая механика играли существенную роль. Ответ такой — масса, примерно в 109 раз превышающая массу протона, так называемая масса Планка, сжатая до фантастически малого объёма примерно 10-99 кубического сантиметра грубо говоря, это сфера с радиусом 10-33 сантиметра с так называемой планковской длиной. Таким образом, расстояние, на котором квантовая гравитация вступает в права, в миллион миллиардов раз меньшее расстояния, достижимого на самых мощных в мире ускорителях. Такая огромная неисследованная территория легко может быть населена новыми полями и их частицами — и кто знает, чем ещё.
Однако в середине 1980-х годов в физическом сообществе поползли слухи, что в направлении объединения произошёл серьёзный теоретический прорыв в рамках подхода, названного теорией струн. Теория струн Хотя теория струн имеет репутацию сложной теории, её основная идея очень простая. Стандартная точка зрения, до теории струн, состояла в том, что фундаментальные составляющие являются точечными частицами — точками без внутренней структуры, — которые описываются уравнениями квантовой теории поля. Теория струн бросает вызов такому представлению, утверждая, что частицы не являются точечными. Вместо этого, предлагается рассматривать их как крошечные, струноподобные вибрирующие нити. При более детальном рассмотрении, говорит теория, вы увидите, что струны в частицах разного типа неразличимы, но вибрируют они по-разному. Электрон менее массивен чем кварк, и согласно теории струн, это означает, что струна электрона вибрирует менее энергично, чем струна кварка. Различные свойства частиц объясняются разным вибрационным поведением нитей в теории струн, подобно тому как разные вибрации гитарных струн порождают звучание разных музыкальных нот.
По причине бесконечно малого размера струны, порядка планковской длины — 10-33 сантиметра, даже самые точные современные эксперименты не могут подтвердить или опровергнуть протяжённую структуру струны. БАК, на котором частицы сталкиваются друг с другом при энергиях, превышающих в 10 триллионов раз энергию покоящегося протона, может добраться до расстояний примерно 10-19 сантиметра; это миллионная от миллиардной доли толщины волоса, но всё же оно слишком велико, на много порядков больше планковских расстояний. Поэтому струны выглядят как точки, даже если их изучать на самых мощных в мире ускорителях частиц. Тем не менее, согласно теории струн, частицы являются струнами. В этом, в двух словах, и заключается теория струн. Струны, точки и квантовая гравитация Следует подчеркнуть три особо важных момента. Во-первых, когда учёные физики предлагают модель описания природы с помощью квантовой теории поля, они также выбирают поля, которые войдут в теорию. Этот выбор диктуется экспериментальными ограничениями, а также теоретическими предпосылками.
Главным примером является Стандартная модель. Рассматриваемая как венец достижений физики частиц XX столетия благодаря своей способности правильно описывать большое количество данных, собранных на ускорителях частиц по всему миру, Стандартная модель является квантовой теорией поля. Стандартная модель, безусловно, крайне успешна, но многие физики полагают, что по-настоящему фундаментальное понимание не требует такого разношёрстного набора ингредиентов. Впечатляющее свойство теории струн состоит в том, что частицы определяются самой теорией: разные типы частиц соответствуют разному вибрационному поведению струны. Тогда потенциал и перспективы теории струн заключаются в том, чтобы превзойти квантовую теорию поля путём получения всех свойств частиц математически. Теория струн строится непоследовательными приближениями к полному описанию природы. Она предлагает полное описание с самого начала. Во-вторых, среди возможных вибраций струны есть одна, обладающая всеми нужными свойствами для того, чтобы быть квантовой частицей гравитационного поля.
Исследования выявили свойства, которыми будет обладать гипотетическая частица — получившая название гравитон, — соответствующая квантовому гравитационному полю. Было показано, что гравитон должен быть безмассовым, не иметь заряда и обладать квантовомеханическим свойством, известным как спин-2. В-третьих, как бы ни была радикальна теория струн, она идёт по протоптанному пути, известному в истории физики. Специальная теория относительности расширяет наше понимание мира высоких скоростей; общая теория относительности идёт дальше и учитывает большие массы; квантовая механика и квантовая теория поля вводят нас в мир малых расстояний. Понятия, привлекаемые этими теориями, и предсказываемые ими свойства непохожи ни на что известное ранее. Более того, если применять эти теории в привычных рамках доступных нам скоростей, размеров и масс, они сведутся к описаниям, открытым до XX столетия — к классической механике Ньютона и классическим полям Фарадея, Максвелла и других. Теория струн могла бы претендовать на существенный отрыв от своих предшественников и отступить от нарисованной схемы ниже. Замечательно, что этого не происходит.
Теория струн достаточно революционна для преодоления барьеров физики двадцатого столетия. При этом она достаточно консервативна, чтобы прошедшие три столетия открытий смогли уютно разместиться в её математическом аппарате.
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. В чем смысл теории струн? 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. Хотя квантовая механика очень хорошо описывает поведение очень маленьких вещей, а общая теория относительности хорошо объясняет, как во Вселенной происходят очень большие вещи, они плохо сочетаются друг с другом. Некоторые ученые считают, что теория струн может разрешить противоречия между ними, преодолев одну из основных нерешенных проблем физики.
Струны Вселенной
- Войти на сайт
- Мы заколебались: объясняем простым языком теорию струн
- Современное состояние теории струн
- Теория суперструн
- Форма поиска
- Обнаружено новое доказательство теории струн — Странная планета
Что такое теория струн? Простой обзор
Однако, несмотря на то, что обе поддерживают все, что мы знаем о вселенной, теория относительности и квантовая механика плохо работают вместе. На самом деле ученые не смогли объединить две теории в единую теорию всего. Объединение двух столпов физики в одно целое может показаться не слишком важным. Ведь по отдельности теория относительности и квантовая механика могут объяснить большую часть Вселенной. Однако наличие двух отдельных законов, управляющих вселенной, имеет свои проблемы. Например, представьте, что есть два типа улиц, и тип определяет правила движения.
Некоторые улицы имеют тот или иной тип, поэтому правила довольно просты. Однако другие улицы подходят под определение обоих типов, так какие правила применяются к ним?
Говоря кратко, ОТО постулирует о космическом пространстве и его искривлении, а СТО об относительности пространства-времени со стороны человека. Говоря о теории струн, мы затрагиваем конкретно ОТО.
Общая Теория Относительности говорит о том, что в космосе под действием массивных объектов пространство искривляется вокруг него а вместе с ним и время, ведь пространство и время — это совершенно неразделимые понятия. Понять, как это происходит, поможет пример из жизни ученых. Недавно был зафиксирован подобный случай, поэтому все рассказанное можно считать «основанным на реальных событиях». Ученый смотрит в телескоп и видит две звезды: одна находится впереди, а другая позади нее.
Как мы смогли это понять? Очень просто, ведь та звезда, центра которой мы не видим, а видны только края — большая из этих двух, а другая звезда, которая видна в полном своем виде, является меньшей. Однако, благодаря ОТО, может быть и такое, что та звезда, которая впереди — больше, чем та, что позади. Но разве такое возможно?
Оказывается да.
Эйнштейн предполагал объединить две теории в единую математическую конструкцию, которая сочленила бы действие всех сил в природе. Цель была весьма амбициозна, и Эйнштейн отнёсся к ней очень серьёзно. У него была уникальная способность полностью отдаваться задаче, которую он перед собой поставил, и последние тридцать лет своей жизни он полностью посвятил проблеме объединения. Однако его последние вычисления не пролили больше света на вопрос объединения.
После смерти Эйнштейна работа над единой теорией практически прекратилась. Многие физики переключились на изучение микромира, руководствуясь квантовой механикой. При этом делались успехи в раскрытии тайны атома и использовании его скрытой мощи. В дальнейшем были экспериментально обнаружены другие взаимодействия: сильное ядерное и слабое ядерное. И теперь единая теория должна объединять не две силы, а четыре.
Мечта Эйнштейна стала еще более призрачной. В конце 1960-х и в начале 1970-х годов пошла обратная волна. Физики осознали, что методы квантовой теории поля, успешно применённые в электромагнетизме, также хорошо описывают слабое и сильное ядерные взаимодействия. Таким образом, все три негравитационные силы описываются на одном математическом языке. Более того, при подробном исследовании этих квантовых теорий поля обнаружились взаимосвязи, указывающие на возможное единство электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий.
Давайте рассмотрим этот вопрос подробнее. Глэшоу, Салам и Вайнберг предположили, что электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия. Электрослабая теория была подтверждена в экспериментах на ускорителе в конце 1970-х и начале 1980-х годов. Глэшоу и Джорджи пошли дальше и предложили, что электрослабое и сильное взаимодействия являются проявлениями ещё более фундаментального взаимодействия, в рамках подхода, который был назван великим объединением. Однако простейшая версия великого объединения была отброшена, когда учёным не удалось экспериментально подтвердить одно из предсказаний — что протоны должны время от времени распадаться.
Тем не менее есть много других вариантов великого объединения, которые пока экспериментально не отвергнуты, например, потому, что предсказываемая ими скорость распада протона настолько мала, что чувствительность современного экспериментального оборудования недостаточна для обнаружения распада. Однако даже если великое объединение не подкрепляется экспериментальными данными, уже нет никаких сомнений, что три негравитационных взаимодействия могут быть описаны на едином математическом языке квантовой теории поля. Всё это являлось впечатляющим продвижением к единой теории, однако на таком обнадёживающем фоне возникла досадная проблема. Когда учёные применили методы квантовой теории к четвёртой силе в природе — гравитации, оказалось, что математика просто не работает. Как бы успешно ни работали общая теория относительности и квантовая механика на своих естественных масштабах, на больших и малых расстояниях, бессмысленный результат, полученный при попытке их объединения, означал глубокую трещину в понимании законов природы.
В середине 1980-х годов произошёл следующей ключевой скачок. Новая теория, теория суперструн, завладела умами физиков по всему миру. Она смягчила разногласия между общей теорией относительности и квантовой механикой и дала надежду, что гравитация может быть встроена в объединённый квантово-механический каркас. Была развита впечатляющая и изощрённая математическая структура, но многое в теории суперструн оставалось неясным. Открытие теории суперструн дало толчок к развитию других, тесно связанных теоретических подходов, направленных на поиски единой теории фундаментальных взаимодействий.
В частности, суперсимметричная квантовая теория поля и её гравитационное расширение супергравитация глубоко изучались в середине 1970-х годов. Суперсимметричная квантовая теория поля и супергравитация основаны на новом принципе суперсимметрии, который был открыт в рамках теории суперструн, но эти подходы подключают суперсимметрию к обычным теориям точечных частиц. Позже начиная с середины 1990-х годов, попытки теоретиков распутать эти загадки неожиданно привели теорию струн к сюжету с мультивселенными. Учёным давно было известно, что математические методы, применяемые при анализе теории струн, используют множество приближений, а потому их можно усовершенствовать. Когда была сделана часть уточнений, учёные осознали, что соответствующий математический аппарат ясно указывает, что наша Вселенная является, возможно, частью некоторой мультивселенной.
Квантовые поля Начнем с рассмотрения традиционной квантовой теории поля. В классической физике поля описываются как нечто типа тумана, который пронизывает область пространства и может переносить возмущения в виде ряби и колебаний. В квантовой механике понятия поля приводит к квантовой теории поля. Квантовая неопределенность заставляет значение поля в каждой точке случайно колебаться. Подобно воде, состоящей из молекул H2O, квантово-механическое поле состоит из бесконечно малых частиц — кванты поля.
Но как бы не представлять частицы в рамках квантовой теории поля они математически описываются как крохотные точки, не имеющие пространственного размера и внутренней структуры. Осведомлённый читатель может не согласиться с утверждением, что каждое поле ассоциируется с частицей. Более точное утверждение звучит так: малые флуктуации поля около локального минимума его потенциала обычно интерпретируются как возбуждения частиц. Этого определения будет достаточно для наших обсуждений. К тому же осведомлённый читатель заметит, что локализация частицы в точке сама по себе является идеализацией, потому что для этого потребуется — из принципа неопределённости — бесконечный импульс и энергия.
Опять же суть в том, что в квантовой теории поля нет, в принципе, предела того, как можно локализовать частицу. Вера физиков в квантовую теорию поля обусловлена одним существенным фактором: ни один эксперимент не противоречит её предсказаниям. Наоборот, данные подтверждают, что уравнения квантовой теории поля описывают поведение частиц с изумительной точностью. После такого успеха можно ожидать, что квантовая теория поля является математическим фундаментом для понимания всех сил в природе. В результате упорного труда многих из физиков к концу 1970-х было установлено, что слабое и сильное ядерные взаимодействия действительно прекрасно описываются квантовой теорией поля.
Однако многие из физиков быстро пришли к выводу, что ситуация с четвёртым взаимодействием в природе — гравитацией, гораздо тоньше. Как только уравнения общей теории относительности объединяются с уравнениями квантовой теории, математика начинает бунтовать. Совместное использование уравнений для вычисления квантовой вероятности некоторых физических процессов — таких как вероятность того, что два электрона оттолкнутся друг от друга — как правило, приводит к ответу бесконечность. Но вероятности бесконечными быть не могут. По определению значение вероятности должно находиться между 0 и 1 между 0 и 100, если считать в процентах.
Бесконечная вероятность шлёт очевидный математический намёк: совместное использование уравнений бессмысленно. Физики выяснили, что проблема кроется в дрожании и флуктуациях из-за квантовой неопределённости.
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!