Теория струн предполагает объединения идей квантовой механики и теории относительности, представляя элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами. 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. 20–минутное видео о теории струн. Про эту теорию впервые прочитал в журнале "Юный техник" ещё в школе.
Что такое теория струн? Простой обзор
Теория струн предположительно решает эту проблему и стремится описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации. Как теория струн стала «теорией всего». Где-то к началу 1980-х ученые поняли, что теория струн, изначально придуманная для описания взаимодействий адронов, имеет более фундаментальный характер. Теория струн предполагает объединения идей квантовой механики и теории относительности, представляя элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами.
Теория струн кратко и понятно
Теория струн гласит, что неделимые субатомные частицы состоят из крошечных маленьких струн, вибрирующих по определенной схеме. 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, имеет все шансы разрешить главный спор в физике XX века – включить гравитационное взаимодействие в Стандартную модель.
Вы точно человек?
Разным вибрационном поведением нитей в теории струн объясняется различные свойства частиц. По аналогии с гитарными струнами, разные вибрации их - порождают разное звучание музыкальных нот. Известно 4 измерения: длина, ширина, высота и время. Одна из необычных черт струнной теории состоит в том, что форма частиц определяется размером и формой дополнительных измерений. Физики, разрабатывающие теорию струн, рассматривают вселенную, имеющую более 4 пространственно-временных измерений.
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.
Все струны одинаковы, а все наблюдаемые частицы и кванты полей суть различные типы колебаний этих струн. Струна принципиально не может иметь размер меньше планковской длины. В теории точечных частиц физики привыкли, что чем больше энергия частицы, тем в меньшей области пространства частица может быть локализована. Совсем иное дело со струнами: дополнительная энергия приводит не к уменьшению, а к увеличению размера струны.
Поэтому расстояние, которое меньше планковской длины, принципиально недостижимо. Струны бывают открытыми и замкнутыми. И те и другие имеют определённые устойчивые формы колебаний — моды. Механическая аналогия: зажимая по-разному скрипичные струны, можно извлекать самые разные звуки.
Известно 4 измерения: длина, ширина, высота и время. Одна из необычных черт струнной теории состоит в том, что форма частиц определяется размером и формой дополнительных измерений. Физики, разрабатывающие теорию струн, рассматривают вселенную, имеющую более 4 пространственно-временных измерений.
Пока неизвестно какова геометрическая форма дополнительных измерений. В заключении стоит отметить, что математика теории струн весьма своеобразна.
Краткая история теории струн
В теории струн мироздание похоже на невероятно малые, вибрирующие нити энергии, способные извиваться, растягиваться и сжиматься. В теории струн каждая струна колеблется так же, в зависимости от влияющих на нее факторов. Теория струн расширила симметрию до суперсимметрии, из которой следовало, что моды колебаний струны реализуются парами суперпартнёров, спин которых отличается на. Стромиджер и Вафа, струнные теоретики, с помощью теории струн смогли отыскать микроскопические компоненты чёрных дыр экстремального типа. Просто о сложном_ структура Вселенной, квантовая физика, теория относительности.
Теория струн для чайников
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. Объяснение материи и массы Одна из основных задач современных исследований — поиск решения для реальных частиц. Теория струн начиналась как концепция, описывающая такие частицы, как адроны, различными высшими колебательными состояниями струны.
В большинстве современных формулировок, материя, наблюдаемая в нашей вселенной, является результатом колебаний струн и бран с наименьшей энергией. Вибрации с большей порождают высокоэнергичные частицы, которые в настоящее время в нашем мире не существуют. Масса этих элементарных частиц является проявлением того, как струны и браны завернуты в компактифицированных дополнительных измерениях. Например, в упрощенном случае, когда они свернуты в форме бублика, называемом математиками и физиками тором, струна может обернуть эту форму двумя способами: короткая петля через середину тора; длинная петля вокруг всей внешней окружности тора. Короткая петля будет легкой частицей, а большая — тяжелой. При оборачивании струн вокруг торообразных компактифицированных измерений образуются новые элементы с различными массами. Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Свернутые измерения здесь гораздо сложнее тора, но в принципе они работают также. Возможно даже, хотя это трудно представить, что струна оборачивает тор в двух направлениях одновременно, результатом чего будет другая частица с другой массой.
Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей. Теория струн кратко и понятно стивен Хокинг. Кратко и понятно о теории струн Теория струн - это одна из самых прогрессивных теорий современной физики, претендующая на звании "теории всего", то есть такой теории, которая способна объяснить сущность мироздания на самом фундаментальном уровне. Сегодня эта теория является главной темой большинства научно-популярных передач и книг по физике. Она не дает покоя всем людям, интересующимся наукой на любительском и профессиональном уровне. Разобраться в ней крайне сложно даже самим физикам. И тем не менее, давайте все-таки попытаемся понять в чем же суть и величии данной теории. Но для этого нам придется отправится на несколько веков назад в историю науки… Яблоко здесь ни при чем Еще в XVII веке величайший ученый, чье имя известно всем и каждому - Исаак Ньютон, заложил основы классической механики. Он показал, что есть некое абсолютное, неизменное пространство и время, в рамках которых протекают все процессы.
Ньютон даже вывел три закона, объясняющие как именно функционирует наш мир, показал как работает сила притяжения гравитация. Однако, не сумел объяснить ее суть… Так вот почему он показывал всем язык!
Теория струн — это одна из революционных и самых противоречивых теорий в физике, целью которой является объединение всех частиц и фундаментальных сил природы в единую теорию. За этим открытием стоит математика, теория основана на простых предположениях и расчетах. Элементарные частицы настолько малы, что имеют размерность Планка, которая составляет 10-33, их невозможно даже наблюдать.
Почему у нейтрино есть масса - а у глюона нет?
Выглядит всё так, как будто кто-то настроил всё на огромном пульте для Вселенной! Да ещё и так точно, что до сих пор всё ничего не развалилось. Что такое чёрные дыры с точки зрения современной науки и какое значение имеет их исследование для понимания Вселенной. Гравитацию отлично описывает Общая Теория Относительности, ка следствие искривления пространства и времени. Почему бы их, теории, не связать? Оказывается, не получится.
Теория относительности и Квантовая теория вообще не совместимы, и во многом даже противоречат друг другу! Так чтогравитация для стандартной модели - та ещё боль. Стандартная модель не даёт ответа, что такое тёмная материя? Ну и что такое "тёмная энергия"? Почему частиц во Вселенной больше, чем античастиц? Теория струн - это дальнейшее развитие, чтобы описать в единых терминах все наблюдаемые явления.
Теория струн В теории струн элеиентарные частицы, из которых состоит абсолютно всё - это не точечнын объекты, а имеющие кототорую длину. Они могут быть замкнутыми, размкнутыми, размеры из ОЧЕНЬ малы, ничтожны, порядка 10-35 метра, то есть в сотни квинтиллионов раз меньше электрона. Струны могут колебаться, прчём на строго определённых частотах. И каждой частотет соответствует своя частица. Именно колебательным состоянием струны и определяется масса, заряд и все другие параметры абсолютно всех частиц. Струны могут сливаться друг с другом, разрываться - поглощение и излучение частиц соответственно.
Почему до этого нельзя было так сделать?
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.
Пространственные измерения В первые годы исследований по теории струн физики столкнулись с фатальными математическими изъянами, например, спонтанное возникновение или исчезновение энергии. В 1970-х многие думали, что от теории струн необходимо отказаться. Но некоторые исследователи упорно придерживались другой точки зрения. В результате сложных исследований было выяснено, что проблемные свойства тесно связаны с числом пространственных измерений. В уравнениях теории струн нет изъянов во вселенной с девятью пространственными измерениями и одним временным, что в совокупности составляет десять измерений. Автор книги подмечает, что без технических подробностей будет тяжело или даже невозможно по крайней мере, для него объяснить, как это происходит. Так что здесь он дает некую техническую наводку. В теории струн есть одно уравнение, в котором присутствует вклад вида D - 10 умножить на проблему , где D — это число пространственно-временных измерений, а проблема — это некое математическое выражение, приводящее к проблемному физическому явлению, подобному ранее упомянутому нарушению закона сохранения энергии. Автор не может предложить никакого интуитивного, нетехнического объяснения, почему уравнение имеет именно этот вид.
Но в вычислениях возникает именно оно. Простое, но ключевое наблюдение состоит в том, что, если число измерений равно десяти, а не четырём, как можно было бы ожидать, вклад в уравнение становится 0 умножить на проблему. Поскольку умножение на ноль всегда даёт ноль, во вселенной с десятью пространственно-временными измерениями проблема исчезает. Именно поэтому физики, занимающиеся теорией струн, рассматривают вселенную, в которой более четырёх пространственно-временных измерений. В начале XX столетия в нескольких статьях математика Калуцы и физика Клейна было высказано предположение о существовании измерений, легко ускользающих от обнаружения. Они предсказывали, что в отличие от привычных пространственных измерений, простирающихся на большие или даже бесконечные расстояния, могут существовать дополнительные измерения, настолько малые и скрученные, что их очень трудно увидеть. На рисунке поверхность высокой трубочки имеет два измерения; длинное вертикальное измерение легко увидеть, а малое круговое измерение обнаружить труднее. Из предложения Калуцы—Клейна следует, что похожее различие между одними измерениями, большими и легко видимыми, и другими, малыми и слабо различимыми, может иметь место и для структуры самого пространства. Причина, по которой мы всё знаем о привычных трёх пространственных измерениях, может быть в том, что их протяжённость велика может даже бесконечны.
Однако если дополнительное пространственное измерение скручено и имеет чрезвычайно малый размер, то оно совершенно равноправно обычным нескрученным измерениям и при этом остаётся невидимым даже для самого мощного современного увеличивающего оборудования. Так начиналась теория Калуцы—Клейна, гипотеза о том, что наша Вселенная имеет больше трёх пространственных измерений. Если вернуться в 1920-е годы, откуда вообще возникла такая экзотическая идея? Калуца заинтересовался этим, потому что вскоре после публикации Эйнштейном общей теории относительности ему на ум пришла одна идея. Он обнаружил, что может модифицировать уравнения Эйнштейна и применить их ко вселенной с одним дополнительным пространственным измерением. Результат изучения модифицированных уравнений оказался захватывающим. Среди модифицированных уравнений Калуца обнаружил уравнения, уже применённые Эйнштейном для описания гравитации в трёх пространственных и одном временном измерениях. Но поскольку новая формулировка включала одно дополнительное пространственное измерение, Калуца обнаружил дополнительное уравнение. Получив это уравнение, Калуца распознал в нём уравнение электромагнитного поля, обнаруженное Максвеллом полувеком ранее.
Как показал Калуца, во вселенной с одним дополнительным пространственным измерением гравитация и электромагнетизм могут быть описаны единым образом как пространственно-временные искривления. Но гравитация рябит в привычных трёх пространственных измерениях, а электромагнетизм — в четвёртом. Огромной проблемой для гипотезы Калуцы стало объяснение того, почему мы не видим четвёртое пространственное измерение. Именно тогда Калуца предложил описанное выше решение: дополнительные измерения, если они достаточно малы, могут ускользать от фиксации нашими органами чувств и оборудованием. Однако последующие исследования показали, что программа Калуцы—Клейна сталкивается с некоторыми препятствиями, самым трудным из которых является невозможность встроить детальные свойства частиц материи, таких как электрон, в математическую структуру. В течение двух десятилетий предлагались и отвергались различные способы обойти эту проблему. Однако поскольку не было предложено ни одного подхода, свободного от этих недостатков, то к середине 1940-х годов идея объединения через дополнительные измерения практически была забыта. Спустя тридцать лет возникла теория струн. Математический аппарат теории струн не просто разрешал существование во Вселенной дополнительных измерений, он требовал их присутствия.
Теория струн возродила программу Калуцы—Клейна, и к середине 1980-х годов учёные во всём мире воодушевлённо полагали, что это только вопрос времени, когда теория струн приведёт к полному описанию всей материи и взаимодействий. Большие надежды В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно. При таком возбуждении понятно, что некоторые теоретики заговорили о скорой революции в решении основных проблем фундаментальной физики: слиянии гравитации и квантовой механики, объединении всех сил в природе, выяснении происхождения Вселенной. Но более умудрённые физики полагали, что такие надежды преждевременны. Теория струн настолько насыщена, обширна и математически трудна, что спустя почти три десятилетия после первой эйфории современные учёные одолели лишь часть исследовательского пути. С учётом того, что мир квантовой гравитации в сотни миллиардов миллиардов раз меньше чем всё, что мы сегодня можем экспериментально измерить, дорога будет длинная, даже по самым скромным оценкам. Теория струн и свойства частиц Один из самых основных вопросов всей физики стоит так: почему частицы, которые наблюдаются в природе, являются именно такими, а не какими-нибудь другими? Интерес к этому вопросу непросто академический, он отражает очень важный факт. Если бы у частиц были другие свойства, ядерные процессы, питающие звёзды, подобные нашему Солнцу, были бы нарушены.
Вселенная без звёзд была бы совсем другой. Очевидно, что без солнечного света и тепла не возникла бы сложная цепочка событий, приведшая к возникновению жизни на Земле. Поэтому возникает фундаментальный вопрос: как с помощью ручки, бумаги и, возможно, компьютера, а также руководствуясь нашим пониманием законов природы, вычислить свойства частиц и получить результаты, которые согласуются с экспериментальными данными.
Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи
Это оказалось важным, так как замкнутые струны обладают свойствами, как полагают физики, которые могли бы описать гравитацию. Другими словами, ученые поняли, что теория суперструн вместо объяснения частиц материи может описывать их поведение и силу тяжести. Через многие годы было обнаружено, что, кроме струн, теории необходимы и другие элементы. Их можно рассматривать как листы, или браны. Струны могут крепиться к их одной или обеим сторонам.
Квантовая гравитация Современная физика имеет два основных научных закона: общую теорию относительности ОТО и квантовую. 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 Объяснение материи и массы Одна из основных задач современных исследований — поиск решения для реальных частиц. Теория струн начиналась как концепция, описывающая такие частицы, как адроны, различными высшими колебательными состояниями струны.
В большинстве современных формулировок, материя, наблюдаемая в нашей вселенной, является результатом колебаний струн и бран с наименьшей энергией. Вибрации с большей порождают высокоэнергичные частицы, которые в настоящее время в нашем мире не существуют. Масса этих элементарных частиц является проявлением того, как струны и браны завернуты в компактифицированных дополнительных измерениях. Например, в упрощенном случае, когда они свернуты в форме бублика, называемом математиками и физиками тором, струна может обернуть эту форму двумя способами: короткая петля через середину тора; длинная петля вокруг всей внешней окружности тора.
Короткая петля будет легкой частицей, а большая — тяжелой. При оборачивании струн вокруг торообразных компактифицированных измерений образуются новые элементы с различными массами. Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Свернутые измерения здесь гораздо сложнее тора, но в принципе они работают также.
Возможно даже, хотя это трудно представить, что струна оборачивает тор в двух направлениях одновременно, результатом чего будет другая частица с другой массой. Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей. Определение пространства и времени Во многих версиях теория суперструн измерения сворачивает, делая их ненаблюдаемыми на современном уровне развития технологии. В настоящее время не ясно, сможет ли теория струн объяснить фундаментальную природу пространства и времени больше, чем это сделал Эйнштейн.
В ней измерения являются фоном для взаимодействия струн и самостоятельного реального смысла не имеют. Предлагались объяснения, до конца не доработанные, касавшиеся представления пространства-времени как производного общей суммы всех струнных взаимодействий. Такой подход не отвечает представлениям некоторых физиков, что привело к критике гипотезы. Конкурентная теория петлевой квантовой гравитации в качестве отправной точки использует квантование пространства и времени.
Некоторые считают, что в конечном итоге она окажется лишь другим подходом ко все той же базовой гипотезе. Квантование силы тяжести Главным достижением данной гипотезы, если она подтвердится, будет квантовая теория гравитации. Текущее описание силы тяжести в ОТО не согласуется с квантовой физикой. Последняя, накладывая ограничения на поведение небольших частиц, при попытке исследовать Вселенную в крайне малых масштабах ведет к возникновению противоречий.
Унификация сил В настоящее время физикам известны четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнитная, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Из теории струн следует, что все они когда-то являлись проявлениями одной. Согласно этой гипотезе, так как ранняя вселенная остыла после большого взрыва, это единое взаимодействие стало распадаться на разные, действующие сегодня. Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединение этих сил, хотя такие опыты находятся далеко за пределами текущего развития технологии.
Пять вариантов После суперструнной революции 1984 г. Физики, перебирая версии теории струн в надежде найти универсальную истинную формулу, создали 5 разных самодостаточных варианта. Какие-то их свойства отражали физическую реальность мира, другие не соответствовали действительности. М-теория На конференции в 1995 году физик Эдвард Виттен предложил смелое решение проблемы пяти гипотез.
Основываясь на недавно обнаруженой дуальности, все они стали частными случаями единой всеобъемлющей концепции, названной Виттеном М-теория суперструн. Одним из ключевых ее понятий стали браны сокращение от мембраны , фундаментальные объекты, обладающие более чем 1 измерением. Хотя автор не предложил полную версию, которой нет до сих пор, М-теория суперструн кратко состоит из таких черт: 11-мерность 10 пространственных плюс 1 временное измерение ; двойственности, которые приводят к пяти теориям, объясняющих ту же физическую реальность; браны — струны, с более чем 1 измерением. Следствия В результате вместо одного возникло 10 500 решений.
Для некоторых физиков это стало причиной кризиса, другие же приняли антропный принцип, объясняющий свойства вселенной нашим присутствием в ней. Остается ожидать, когда теоретики найдут другой способ ориентирования в теории суперструн. Некоторые интерпретации говорят о том, что наш мир не единственный. Наиболее радикальные версии позволяют существование бесконечного числа вселенных, некоторые из которых содержат точные копии нашей.
Теория Эйнштейна предсказывает существование свернутого пространства, которое называют червоточиной или мостом Эйнштейна-Розена. В этом случае два отдаленных участка связаны коротким проходом. Теория суперструн позволяет не только это, но и соединение отдаленных точек параллельных миров. Возможен даже переход между вселенными с разными законами физики.
Однако вероятен вариант, когда квантовая теория гравитации сделает их существование невозможным. Многие физики считают, что голографический принцип, когда вся информация, содержащаяся в объеме пространства, соответствует информации, записанной на его поверхности, позволит глубже понять концепцию энергетических нитей. Некоторые полагают, что теория суперструн позволяет множественность измерений времени, следствием чего может быть путешествие через них. Кроме того, в рамках гипотезы существует альтернатива модели большого взрыва, согласно которой наша вселенная появилась в результате столкновения двух бран и проходит через повторяющиеся циклы создания и разрушения.
Конечная судьба мироздания всегда занимала физиков, и окончательная версия теории струн поможет определить плотность материи и космологическую константу. Зная эти значения, космологи смогут установить, будет ли вселенная сжиматься до тех пор, пока не взорвется, чтобы все началось снова.
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. 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.
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… Пятое измерение Хотя многие ученые называют теорию струн триумфом математики, некоторые проблемы у нее все же остаются — прежде всего, отсутствие какой-либо возможности в ближайшее время проверить ее экспериментально.
Ни один инструмент в мире, ни существующий, ни способный появиться в перспективе, «увидеть» струны неспособен. Поэтому некоторые ученые, кстати, даже задаются вопросом: теория струн — это теория физики или философии?.. Правда, видеть струны «воочию» вовсе не обязательно. Для доказательства теории струн требуется, скорее, другое — то, что звучит как научная фантастика — подтверждение существования дополнительных измерений пространства. О чем идет речь? Все мы привыкли к трем измерениям пространства и одному — времени. Но теория струн предсказывает наличие и других — дополнительных — измерений.
Но начнем по порядку. На самом деле, идея о существовании других измерений возникла почти сто лет назад. Пришла она в голову никому не известному тогда немецкому математику Теодору Калуца в 1919 году. Он предположил возможность наличия в нашей Вселенной еще одного измерения, которое мы не видим. Об этой идее узнал Альберт Эйнштейн, и сначала она ему очень понравилась. Позже, однако, он засомневался в ее правильности, и задержал публикацию Калуцы на целых два года. В конечном счете, правда, статья все-таки была опубликована, а дополнительное измерение стало своеобразным увлечением гения физики.
Как известно, Эйнштейн показал, что гравитация есть не что иное, как деформация измерений пространства-времени. Калуца предположил, что электромагнетизм тоже может быть рябью. Почему же мы ее не наблюдаем? Калуца нашел ответ на этот вопрос — рябь электромагнетизма может существовать в дополнительном, скрытом измерении. Но где оно? Ответ на этот вопрос дал шведский физик Оскар Клейн, который предположил, что пятое измерение Калуцы свернуто в миллиарды раз сильнее, чем размеры одного атома, поэтому мы и не можем его видеть. Идея о существовании этого крошечного измерения, которое находится повсюду вокруг нас, и лежит в основе теории струн.
Одна из предполагаемых форм дополнительных закрученных измерений. Внутри каждой из таких форм вибрирует и движется струна — основной компонент Вселенной. Все они имеют очень закрученную и искривленную сложную форму. И все — невообразимо малы. Каким же образом эти крошечные измерения могут оказывать влияние на наш большой мир? Согласно теории струн, решающее: для нее все определяет форма. Когда на саксофоне вы нажимаете разные клавиши, вы получаете и разные звуки.
Это происходит потому, что при нажатии той или иной клавиши или их комбинации, вы меняете форму пространства в музыкальном инструменте, где циркулирует воздух. Благодаря этому и рождаются разные звуки. Теория струн полагает, что дополнительные искривленные и закрученные измерения пространства проявляются похожим образом. Формы этих дополнительных измерений сложны и разнообразны, и каждое заставляет вибрировать струну, находящуюся внутри таких измерений, по-разному именно благодаря своим формам. Ведь если предположить, например, что одна струна вибрирует внутри кувшина, а другая — внутри изогнутого почтового рожка, это будут совершенно разные вибрации. Впрочем, если верить теории струн, на деле формы дополнительных измерений выглядят куда сложнее кувшина. Как устроен мир Науке сегодня известен набор чисел, которые являются фундаментальными постоянными Вселенной.
Именно они определяют свойства и характеристики всего вокруг нас. 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.
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. Существует не один, не два, а целых шесть разных вариантов, но ученые до сих пор не смогли объяснить, как именно должна «работать» струнная квантовая гравитация и как в таком случае возникла вся Вселенная. Это задача для будущих поколений, ведь вера в теорию струн по-прежнему сильна. Если, конечно, физики не сменят свои предпочтения и не решат перейти к более интересным объектам.
Теория струн кратко и понятно. Теория струн для чайников.
Просто о сложном_ структура Вселенной, квантовая физика, теория относительности. Антропный принцип в теории струн. Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано[7], связанных со струнными моделями строения адронов.