Квантовая струна. Теория квантовых струн

Теория струн — Википедия (с комментариями)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Тео́рия струн — направление теоретической физики, изучающее динамику взаимодействия не точечных частиц[1], а одномерных протяжённых объектов, так называемых квантовых струн[2]. Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации[3][4].

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[2]. Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностей квантовой теории поля, как перенормировка[6], а с другой стороны, приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени[6]. Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано[7], связанных со струнными моделями строения адронов. Середина 1980-х и середина 1990-х ознаменовались бурным развитием теории струн, ожидалось, что в ближайшее время на основе теории струн будет сформулирована так называемая «единая теория», или «теория всего»[4], поискам которой Эйнштейн безуспешно посвятил десятилетия[8]. Но, несмотря на математическую строгость и целостность теории, пока не найдены варианты экспериментального подтверждения теории струн[2]. Возникшая для описания адронной физики, но не вполне подошедшая для этого, теория оказалась в своего рода экспериментальном вакууме описания всех взаимодействий.

Одна из основных проблем при попытке описать процедуру редукции струнных теорий из размерности 26 или 10[9] в низкоэнергетическую физику размерности 4 заключается в большом количестве вариантов компактификаций дополнительных измерений на многообразия Калаби — Яу и на орбифолды, которые, вероятно, являются частными предельными случаями пространств Калаби — Яу[10]. Большое число возможных решений с конца 1970-х и начала 1980-х годов создало проблему, известную под названием «проблема ландшафта»[11], в связи с чем некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли теория струн статуса научной[12].

Несмотря на эти трудности, разработка теории струн стимулировала развитие математических формализмов, в основном — алгебраической и дифференциальной геометрии, топологии, а также позволила глубже понять структуру предшествующих ей теорий квантовой гравитации[2]. Развитие теории струн продолжается, и есть надежда[2], что недостающие элементы струнных теорий и соответствующие феномены будут найдены в ближайшем будущем, в том числе в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере[13].

Основные положения

Если бы существовал явный механизм экстраполяции струн в низкоэнергетическую физику, то теория струн представила бы нам все фундаментальные частицы и их взаимодействия в виде ограничений на спектры возбуждений нелокальных одномерных объектов. Характерные размеры компактифицированных струн чрезвычайно малы, порядка 10−33 см (порядка планковской длины)[14], поэтому они недоступны наблюдению в эксперименте[2]. Аналогично колебаниям струн музыкальных инструментов спектральные составляющие струн возможны только для определённых частот (квантовых амплитуд). Чем больше частота, тем больше энергия, накопленная в таком колебании[15], и, в соответствии с формулой E=mc², тем больше масса частицы, в роли которой проявляет себя колеблющаяся струна в наблюдаемом мире. Параметром, аналогичным частоте для осциллятора, для струны является квадрат массы[16].

Непротиворечивые и самосогласованные квантовые теории струн возможны лишь в пространствах высшей размерности (больше четырёх, учитывая размерность, связанную со временем). В связи с этим в струнной физике открыт вопрос о размерности пространства-времени[17]. То, что в макроскопическом (непосредственно наблюдаемом) мире дополнительные пространственные измерения не наблюдаются, объясняется в струнных теориях одним из двух возможных механизмов: компактификация этих измерений — скручивание до размеров порядка планковской длины, или локализация всех частиц многомерной вселенной (мультивселенной) на четырёхмерном мировом листе, который и являет собой наблюдаемую часть мультивселенной. Предполагается, что высшие размерности могут проявляться во взаимодействиях элементарных частиц при высоких энергиях, однако до сих пор экспериментальные указания на такие проявления отсутствуют.

При построении теории струн различают подход первичного и вторичного квантования. Последний оперирует понятием струнного поля − функционала на пространстве петель, подобно квантовой теории поля. В формализме первичного квантования математическими методами описывается движение пробной струны во внешних струнных полях, при этом не исключается взаимодействие между струнами, в том числе распад и объединение струн. Подход первичного квантования связывает теорию струн с обычной теорией поля на мировой поверхности[4].

Наиболее реалистичные теории струн в качестве обязательного элемента включают суперсимметрию, поэтому такие теории называются суперструнными[18]. Набор частиц и взаимодействий между ними, наблюдающийся при относительно низких энергиях, практически воспроизводит структуру стандартной модели в физике элементарных частиц, причём многие свойства стандартной модели получают изящное объяснение в рамках суперструнных теорий. Тем не менее до сих пор нет принципов, с помощью которых можно было бы объяснить те или иные ограничения струнных теорий, чтобы получить некое подобие стандартной модели[19].

В середине 1980-х годов Майкл Грин и Джон Шварц пришли к выводу, что суперсимметрия, являющаяся центральным звеном теории струн, может быть включена в неё не одним, а двумя способами: первый — это суперсимметрия мировой поверхности струны[4], второй — пространственно-временная суперсимметрия[20]. В своей основе данные способы введения суперсимметрии связывают методы конформной теории поля со стандартными методами квантовой теории поля[21][22]. Технические особенности реализации данных способов введения суперсимметрии обусловили возникновение пяти различных теорий суперструн — типа I, типов IIA и IIB, и двух гетеротических струнных теорий[23]. Возникший в результате этого всплеск интереса к теории струн был назван «первой суперструнной революцией». Все эти модели формулируются в 10-мерном пространстве-времени, однако различаются струнными спектрами и калибровочными группами симметрии. Заложенная в 1970-х и развитая в 1980-х годах конструкция 11-мерной супергравитации[24], а также необычные топологические двойственности фазовых переменных в теории струн в середине 1990-х привели ко «второй суперструнной революции». Выяснилось, что все эти теории, на самом деле, тесно связаны друг с другом благодаря определённым дуальностям[25]. Было высказано предположение, что все пять теорий являются различными предельными случаями единой фундаментальной теории, получившей название М-теории. В настоящее время ведутся поиски адекватного математического языка для формулировки этой теории[19].

История

Струны в адронной физике

Струны как фундаментальные объекты были первоначально введены в физику элементарных частиц для объяснения особенностей строения адронов, в частности пионов.

В 1960-х годах была обнаружена зависимость между спином адрона и его массой (график Чу — Фраучи)[26][27]. Это наблюдение привело к созданию теории Редже, в которой разные адроны рассматривались не как элементарные частицы, а как различные проявления единого протяжённого объекта — реджеона. В последующие годы усилиями Габриэле Венециано, Йоитиро Намбу, Холгера Бех Нильсена и Леонарда Сасскинда была выведена формула для рассеяния реджеонов и была дана струнная интерпретация протекающих при этом явлений.

В 1968 году Габриэле Венециано и Махико Судзуки при попытке анализа процесса столкновений пи-мезонов (пионов) обнаружили, что амплитуда парного рассеивания высокоэнергетических пионов весьма точно описывается одной из бета-функций, введённых Леонардом Эйлером в 1730 году. Позже было установлено, что амплитуда парного пионного рассеивания может быть разложена в бесконечный ряд, начало которого совпадает с формулой Венециано — Судзуки[28].

В 1970 году Йоитиро Намбу, Тэцуо Гото, Холгер Бех Нильсен и Леонард Сасскинд выдвинули идею, что взаимодействие между сталкивающимися пионами возникает вследствие того, что эти пионы соединяет «бесконечно тонкая колеблющаяся нить». Полагая, что эта «нить» подчиняется законам квантовой механики, они вывели формулу, совпадающую с формулой Венециано — Судзуки. Таким образом, появились модели, в которых элементарные частицы представляются в виде одномерных струн, которые вибрируют на определённых нотах (частотах)[28].

С наступлением эры квантовой хромодинамики научное сообщество утратило интерес к теории струн в адронной физике вплоть до 1980-х годов[2].

Бозонная теория струн

К 1974 году стало ясно, что струнные теории, основанные на формулах Венециано, реализуются в размерности пространства большей, чем 4: модель Венециано и модель Шапиро — Вирасоро (S-V) в размерности 26, а модель Рамо́на — Невьё — Шварца (R-NS) в 10, и все они предсказывают тахионы[29]. Скорость тахионов превышает скорость света в вакууме, а потому их существование противоречит принципу причинности, который, в свою очередь нарушается в микромире. Таким образом, не имеется никаких убедительных (в первую очередь, экспериментальных) доказательств существования тахиона, равно как и логически неуязвимых опровержений[30]. На данный момент считается более предпочтительным не использовать идею тахионов при построении физических теорий. Решение проблемы тахионов основано на работах по пространственно-временной глобальной (не зависящей от координат) суперсимметрии Весса и Зумино (1974 год)[31]. В 1977 году Глиоцци, Шерк (нем.)русск. и Олив (GSO проекция) ввели в модель R-N-S специальную проекцию для струнных переменных, которая позволила устранить тахион и по существу давала суперсимметричную струну[32]. В 1981 году Грину и Шварцу удалось описать GSO проекцию в терминах D-мерной суперсимметрии и чуть позже ввести принцип устранения аномалий в теориях струн[33].

В 1974 году Джон Шварц и Жоэль Шерк, а также независимо от них Тамиаки Ёнэя, изучая свойства некоторых струнных вибраций, обнаружили, что они в точности соответствуют свойствам гипотетической частицы − кванта гравитационного поля, которая называется гравитон[34]. Шварц и Шерк утверждали, что теория струн первоначально потерпела неудачу потому, что физики недооценили её масштаб[19]. На основе данной модели была создана теория бозонных струн[4], которая по-прежнему остаётся первым вариантом теории струн, который преподают студентам[35]. Эта теория формулируется в терминах действия Полякова, с помощью которого можно предсказывать движение струны в пространстве и времени. Процедура квантования действия Полякова приводит к тому, что струна может вибрировать различными способами и каждый способ её вибрации генерирует отдельную элементарную частицу. Масса частицы и характеристики её взаимодействия определяются способом вибрации струны, или своеобразной «нотой», которая извлекается из струны. Получающаяся таким образом гамма называется спектром масс теории струн.

Первоначальные модели включали как открытые струны, то есть нити, имеющие два свободных конца, так и замкнутые, то есть петли. Эти два типа струн ведут себя по-разному и генерируют два различных спектра. Не все современные теории струн используют оба типа, некоторые обходятся только замкнутыми струнами.

Теория бозонных струн не лишена проблем. Прежде всего, теория обладает фундаментальной нестабильностью, которая предполагает распад самого пространства-времени. Кроме того, как следует из её названия, спектр частиц ограничивается только бозонами. Несмотря на то, что бозоны представляют собой важный ингредиент мироздания, Вселенная состоит не только из них. Также она предсказывает несуществующую частицу с отрицательным квадратом массы — тахион[16]. Исследования того, каким образом можно включить в спектр теории струн фермионы, привело к понятию суперсимметрии — теории взаимосвязи бозонов и фермионов, которая теперь имеет самостоятельное значение. Теории, включающие в себя фермионные вибрации струн, называются суперструнными теориями[36].

Суперструнные революции

В 1984—1986 гг. физики поняли, что теория струн могла бы описать все элементарные частицы и взаимодействия между ними, и сотни учёных начали работу над теорией струн как наиболее перспективной идеей объединения физических теорий.

Первой суперструнной революцией стало открытие в 1984 году Майклом Грином и Джоном Шварцем явления сокращения аномалий в теории струн типа I. Механизм этого сокращения носит название механизма Грина — Шварца. Другие значительные открытия, например, открытие гетеротической струны, были сделаны в 1985 г.[19]

В середине 1990-х Эдвард Виттен, Джозеф Полчински и другие физики обнаружили веские доказательства того, что различные суперструнные теории представляют собой различные предельные случаи не разработанной пока 11-мерной М-теории. Это открытие ознаменовало собой вторую суперструнную революцию.

Последние исследования теории струн (точнее, М-теории) затрагивают D-браны, многомерные объекты, существование которых вытекает из включения в теорию открытых струн[19]. В 1997 году Хуан Малдасена обнаружил взаимосвязь между теорией струн и калибровочной теорией, которая называется N=4 суперсимметричная теория Янга — Миллса[4]. Эта взаимосвязь, которая называется AdS/CFT-соответствием (сокращение терминов anti de Sitter space — «пространство анти-де-Ситтера», и conformal field theory — «конформная теория поля»), привлекла большой интерес струнного сообщества и сейчас активно изучается[37]. .Данное «AdS/CFT-соответствие» является конкретной реализацией голографического принципа, который имеет далеко идущие следствия в отношении чёрных дыр, локальности и информации в физике, а также природы гравитационного взаимодействия.

В 2003 году разработка ландшафта теории струн, означающего существование в теории струн экспоненциально большого числа неэквивалентных ложных вакуумов[38][39][40], дало начало дискуссии о том, что в итоге может предсказать теория струн и каким образом может измениться струнная космология (подробнее см. ниже).

Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела.Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон.

Основные свойства

Среди многих свойств теории струн особенно важны три нижеследующих:

Гравитация и квантовая механика являются неотъемлемыми принципами устройства Вселенной, и поэтому любой проект единой теории обязан включать и то, и другое. В теории струн это реализуется.

Исследования на протяжении XX века показали, что существуют и другие ключевые концепции, — многие из которых были проверены экспериментально, — являющиеся центральными для нашего понимания Вселенной. В их числе — спин, существование поколений частиц материи и частиц-переносчиков взаимодействия, калибровочная симметрия, принцип эквивалентности, нарушение симметрии[41] и суперсимметрия. Всё это естественным образом вытекает из теории струн.
В отличие от более общепринятых теорий, таких, как стандартная модель с её 19 свободными параметрами, которые могут подгоняться для обеспечения согласия с экспериментом, в теории струн свободных параметров нет[2][19].

Классификация струнных теорий

Теории струн Тип Число измерений пространства-времени Характеристика

Бозонная	26	Описывает только бозоны, нет фермионов; струны как открытые, так и замкнутые; основной недостаток: частица с мнимой массой, движущаяся со скоростью, большей скорости света, — тахион
I	10	Включает суперсимметрию; струны как открытые, так и замкнутые; отсутствует тахион; групповая симметрия — SO(32)
IIA	10	Включает суперсимметрию; струны только замкнутые; отсутствует тахион; безмассовые фермионы нехиральны
IIB	10	Включает суперсимметрию; струны только замкнутые; отсутствует тахион; безмассовые фермионы хиральны
HO	10	Включает суперсимметрию; струны только замкнутые; отсутствует тахион; теория гетеротическая: струны, колеблющиеся по часовой стрелке, отличаются от струн, колеблющихся против; групповая симметрия — SO(32)
HE	10	Включает суперсимметрию; струны только замкнутые; отсутствует тахион; теория гетеротическая: струны, колеблющиеся по часовой стрелке, отличаются от струн, колеблющихся против; групповая симметрия — E8×E8

Несмотря на то, что понимание деталей суперструнных теорий требует серьёзной математической подготовки, некоторые качественные свойства квантовых струн можно понять на интуитивном уровне. Так, квантовые струны, как и обычные струны, обладают упругостью, которая считается фундаментальным параметром теории. Упругость квантовой струны тесно связана с её размером. Рассмотрим замкнутую струну, к которой не приложены никакие силы. Упругость струны будет стремиться стянуть её в более мелкую петлю вплоть до размера точки. Однако это нарушило бы один из фундаментальных принципов квантовой механики — принцип неопределённости Гейзенберга. Характерный размер струнной петли получится в результате балансирования между силой упругости, сокращающей струну, и эффектом неопределённости, растягивающим струну.

Благодаря протяжённости струны решается проблема ультрафиолетовых расходимостей в квантовой теории поля, и, следовательно, вся процедура регуляризации и перенормировки перестаёт быть математическим трюком и обретает физический смысл. Действительно, в квантовой теории поля бесконечные значения амплитуд взаимодействия возникают в результате того, что две частицы могут сколь угодно близко подойти друг к другу. В теории струн это уже невозможно: слишком близко расположенные струны сливаются в струну[6].

Дуальности

В середине 1980-х было установлено, что суперсимметрия, являющаяся центральным звеном теории струн[42], может быть включена в неё не одним, а пятью различными способами, что приводит к пяти различным теориям: типа I, типов IIA и IIB, и двум гетеротическим струнным теориям. Можно предположить, что только одна из них могла претендовать на роль «теории всего», причём та, которая при низких энергиях и компактифицированных шести дополнительных измерениях согласовывалась бы с реальными наблюдениями. Оставались открытыми вопросы о том, какая именно теория более адекватна и что делать с остальными четырьмя теориями[19]С. 126.

В ходе второй суперструнной революции было показано, что такое представление неверно: все пять суперструнных теорий тесно связаны друг с другом, являясь различными предельными случаями единой 11-мерной фундаментальной теории (М-теория)[19][43].

Все пять суперструнных теорий связаны друг с другом преобразованиями, называемыми дуальностями[44]. Если две теории связаны между собой преобразованием дуальности (дуальным преобразованием), это означает, что каждое явление и качество из одной теории в каком-нибудь предельном случае имеет свой аналог в другой теории, а также имеется некий своеобразный «словарь» перевода из одной теории в другую[45].

То есть дуальности связывают и величины, которые считались различными или даже взаимоисключающими. Большие и малые масштабы, сильные и слабые константы связи — эти величины всегда считались совершенно чёткими пределами поведения физических систем как в классической теории поля, так и в квантовой. Струны, тем не менее, могут устранять различия между большим и малым, сильным и слабым.

Т-дуальность

Т-дуальность связана с симметрией в теории струн, применимой к струнным теориям типа IIA и IIB и двум гетеротическим струнным теориям. Преобразования Т-дуальности действуют в пространствах, в которых по крайней мере одна область имеет топологию окружности. При таком преобразовании радиус R этой области меняется на 1/R, и «намотанные»[46] состояния струн меняются на высокоимпульсные струнные состояния в дуальной теории. Таким образом, меняя импульсные моды и винтовые моды струны, можно переключаться между крупным и мелким масштабом[47].

Другими словами связь теории типа IIA с теорией типа IIB означает, что их можно компактифицировать на окружность, а затем, поменяв винтовые и импульсные моды, а значит, и масштабы, можно увидеть, что теории поменялись местами. То же самое верно и для двух гетеротических теорий[48].

S-дуальность

S-дуальность (сильно-слабая дуальность) − эквивалентность двух квантовых теорий поля, теории струн и M-теории. Преобразование S-дуальности заменяет физические состояния и вакуум с константой связи[49]g одной теории на физические состояния и вакуум с константой связи 1 / g другой, дуальной первой теории. Благодаря этому оказывается возможным использовать теорию возмущений, которая справедлива для теорий с константой связи g много меньшей 1, по отношению к дуальным теориям с константой связи g много большей 1[48]. Суперструнные теории связаны S-дуальностью следующим образом: суперструнная теория типа I S-дуальна гетеротической SO(32) теории, а теория типа IIB S-дуальна самой себе.

U-дуальность

Существует также симметрия, связывающая преобразования S-дуальности и T-дуальности. Она называется U-дуальностью и наиболее часто встречается в контексте так называемых U-дуальных групп симметрии в М-теории, определённых на конкретных топологических пространствах. U-дуальность представляет собой объединение в этих пространствах S-дуальности и T-дуальности, которые, как можно показать на D-бране, не коммутируют друг с другом[50].

Дополнительные измерения

Интригующим предсказанием теории струн является многомерность Вселенной. Ни теория Максвелла, ни теории Эйнштейна не дают такого предсказания, поскольку предполагают число измерений заданным (в теории относительности их четыре). Первым, кто добавил пятое измерение к эйнштейновским четырём, оказался немецкий математик Теодор Калуца (1919 год)[51]. Обоснование ненаблюдаемости пятого измерения (его компактности) было предложено шведским физиком Оскаром Клейном в 1926 году[52].

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[17].

Поскольку мы, согласно специальной теории относительности, существуем в четырёхмерном пространстве-времени[53][54], необходимо объяснить, почему остальные дополнительные измерения оказываются ненаблюдаемыми. В распоряжении теории струн имеется два таких механизма.

Компактификация

Первый из них заключается в компактификации дополнительных 6 или 7 измерений, то есть замыкание их на себя на таких малых расстояниях, что они не могут быть обнаружены в экспериментах. Шестимерное разложение моделей достигается с помощью пространств Калаби — Яу.

Классическая аналогия, используемая при рассмотрении многомерного пространства, — садовый шланг[55]. Если наблюдать шланг с достаточно далёкого 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 учёные сомневаются, заслуживает ли данная теория статуса научной, поскольку, по их мнению, она не является фальсифицируемой в попперовском смысле[12][56].

Разумеется, это само по себе не является основанием считать теорию струн неверной. Часто новые теоретические конструкции проходят стадию неопределённости, прежде чем, на основании сопоставления с результатами экспериментов, признаются или отвергаются (см., например, уравнения Максвелла[57]). Поэтому и в случае теории струн 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[58], что существует множество способов свести 10-мерные суперструнные теори

wiki-org.ru

странная теория о странном мире

В прежние времена главной функцией науки было объяснение очевидных явлений природы и выявление базовых закономерностей, объясняющих эти феномены. То есть наука должна была объяснить, почему в мире происходит то, что происходит. В наши дни теоретические направления науки, в первую очередь физики, выполняют совершенно иную задачу: они стремятся построить такие модели мироздания, которые бы объясняли всё: как возник мир, почему и как развивается, с какой скоростью и так далее. Одним из самых смелых современных шагов в этом направлении является теория струн, меняющая представления о реальности не только для обывателей, но и для учёных.

alt

Теория струн для «чайников»: легче описать, чем понять

Не вдаваясь в теоретические подробности, можно сформулировать происхождение и главный посыл данной теории. С первой половины XX века теоретическая физика находится в состоянии глубокой озабоченности. Дело в том, что две главные физические концепции, на которых строятся современные научные представления о мире, находятся в определённом противоречии друг с другом. То есть общая теория относительности и квантовая механика по-разному представляют себе строение мироздания на микроуровне.

Теория относительности полагает, что Вселенная состоит из равномерного «полотна» микрочастиц, которое благодаря собственной однородности обладает определённой гибкостью и поэтому способно к изменениям времени и пространства. Квантовая механика видит микромир по-другому: согласно данной картине мира, микрочастицы обладают изрядным зарядом хаотичности, они не расположены равномерно, предсказать наличие той или иной частицы в определённый момент времени в определённой точке пространства невозможно. Таким образом, квантовая механика говорит о том, что в мире микрочастиц понятия времени и пространства настолько переплетены и сумбурны, что даже теряют свой смысл.

Теория относительности показала на практике свою эффективность в области гравитации, тогда как квантовая механика прекрасно объясняет механизмы слабого взаимодействия, электромагнетизма и ядерного взаимодействия. Почему же базовые научные теории противоречат одна другой?

Во второй половине прошлого столетия была выдвинута теория квантовых струн, которая является попыткой примирить общую теорию относительности и квантовую механику.

Согласно струнной гипотезе, микрочастицы могут вести себя по-разному в тех или иных условиях по той причине, что на самом деле они не являются точечными частицами. Протоны, электроном и прочие элементарные частицы, составляющие атомы, это не точки в пространстве, а протяжённые объекты, получившие название квантовых струн. Эти струны могут вибрировать в различных тональностях и в зависимости от того, в какой тональности они «звучат», они приобретают различные свойства. В зависимости от вида вибрации квантовых струн элементарная частица может менять свои функции, то есть быть попеременно протоном, электроном, бозоном и так далее. И именно от тональности вибраций этих струн зависит возникновение того или иного вида взаимодействия между элементарными частицами (гравитация, ядерное взаимодействие, электромагнетизм, слабое взаимодействие).

alt

Пространства и времени уже недостаточно

теория квантовых струн Таким образом, при принятии теории квантовых струн как рабочей структура строения Вселенной дополняется новым уровнем. До появления квантовой механики физическая наука представляла себе строение мира в качестве последовательных уровней в порядке уменьшения их масштаба. Сначала шёл макроскопический уровень – вещественные объекты, наблюдаемые нами невооружённым глазом. Затем был молекулярный уровень – вещество состояло из молекул. Далее следовал атомный уровень – начиная с античности и практически до XX века в представлении учёных это был предельный уровень (не зря же само слово «атом» означает «неделимый»). Но затем был обнаружен субатомный уровень, выяснилось, что атомы очень даже делимы, они состоят из элементарных частиц (электроны, протоны, нейтроны). Квантовая механика открыла ещё один субатомный уровень, расположенный по масштабу ещё ниже – кварки в десятки тысяч раз меньше элементарных частиц. И вот теперь открыт ещё более глубокий уровень строения мира – элементарные частицы, включая кварки, не являются точечными, а состоят из квантовых струн.

Ещё одним важным последствием появления теории струн является пересмотр представлений о размерности пространства. Размерность это понятие, отражающее представление о количестве измерений. Наш обычный окружающий мир является четырёхразмерным: это три измерения пространства (ширина-глубина-высота) плюс время. Теоретические расчёты и математические уравнения показывают, что теория квантовых струн работает лишь при том допущении, что в микромире существует как минимум шесть дополнительных измерений, которые в сумме с четырьмя «старыми» измерениями дают десятиразмерную картину мира. Более того, в некоторых моделях говорится о 12-размерной модели мира, о 26-модельной модели мира, и тому подобное. И согласно теории квантовых струн, именно дополнительные измерения на микроуровне имеют решающее значение для возникновения и развития мироздания. Стандартные четыре измерения (пространство плюс время) являются лишь внешней формой, в которых существует мир; глубинные же процессы формируются за счёт дополнительных измерений.

Правда, теория квантовых струн это красивая и по многим параметрам достоверная теория – но на сегодняшний день она не имеет практических доказательств. Теория струн выглядит весьма убедительно и стройно в своём математическом виде, на уровне расчётов. Кроме того, она в общем и целом укладывается в современные представления о физическом структуре мира и соответствует другим теориям, имеющим ту или иную доказательную базу. Но вот проверить практическим путём саму струнную теорию пока не представляется возможным.

Если квантовые струны действительно существуют, то они «находятся» на столь ничтожном с нашей точки зрения микроскопическом уровне, что наука пока не располагает техническими возможностями доказать их существование, «увидеть» если не сами струны, то хотя бы непосредственные результаты их функционирования. Достаточно было бы зафиксировать хотя бы следы вибрации квантовых струн, чтобы развивать теорию дальше, однако в обозримом будущем у науки не предвидится таких технических способностей. В силу этого ряд учёных предлагают не присваивать теории струн научного характера, пока она не получит экспериментальных доказательств.

Александр Бабицкий

Статьи по теме

www.chuchotezvous.ru

Теория струн

Теория струн является очень сложной и даже достаточно странной. Популярна ли она? Да, популярна. В научных кругах о ней говорят достаточно. Есть мнение, что именно она даст нам все ответы об устройстве Вселенной.

Теория струн

У нее имеется насколько версий. Вполне возможно, что среди них есть универсальная теория, то есть та, которая поможет понять сущность всего. Удивительно, но основы всего скрываются в нескольких уравнениях. Совсем недавно струнная теория объединилась с концепцией суперсимметрии. Результатом стала теория суперструн. В ней удалось объединить многие знания о свойствах основных элементов той материи, из которой собственно и состоит наша Вселенная.

В основе самой теории суперсимметрии лежит концепция, суть которой заключается в том, что существуют частицы-носители и взаимодействующие частицы. Последние являются чем-то вроде кирпичей мироздания, а частицы-носители выступают в роли своеобразного цемента.

В стандартной модели кирпичики – это кварки, а носителями являются калибровочные бозоны. Кварки обмениваются друг с другом калибровочными бозонами.

Теория струн и теория суперсимметрии сложны для понимания, но ту картину Вселенной, которую они рисуют, представить не так-то уж и сложно. В микроскопических размерах можно наблюдать превращение материи в серию полевых стоячих волн. Данные волны очень похожи на те, которые возбуждаются в струнах каких-либо музыкальных инструментов. В струнах материи, например, как и у гитары, может возбуждаться не только основной тон, но и различные гармоники или обертоны. У каждой гармоники собственное энергетическое состояние. Суть принципа относительности заключается в том, что масса и энергия эквивалентны. Из этого следует, что чем выше будет частота гармонических волновых вибраций струн, тем значительней и выше будет энергия, а также масса наблюдаемой частицы.

Не так-то сложно представить стоячую волну в гитарной струне, однако, те стоячие волны, которая предлагает теория струн, нарисовать в воображении совсем не просто. Суть в том, что колебания происходят в том пространстве, которое имеет сразу одиннадцать измерений. Для нас, конечно же, является привычным пространство, в котором измерений всего четыре. В пространстве струн дела обстоят совсем иначе. Физики не могут толком разобраться с лишними измерениями, которые не наблюдаются при обычных энергиях.

Теория струн также получила развитие и в теории многомерных мембран. Что такое многомерные мембраны? В принципе, от струн они отличаются тем, что имеют плоскую форму. Физики шутят: мембраны и струны – это все равно, что вермишель и лапша.

Все сведения, приведенные выше, часто становятся причиной самых разных споров. В принципе, теория по физике – это всегда нечто сложное, неподдающееся легкому объяснению, многоуровневое. Споров всегда предостаточно.

Да, много теорий претендует на звание универсальной, то есть той, которая открыла бы тайну устройства Вселенной и дала понять суть всех объединений силовых взаимодействий.

Вообще же стоит отметить, что теория струн небезгрешна. Она все еще не имеет строгого математического вида. Причина этого заключается в том, что математический аппарат просто не развит настолько, чтобы можно было достичь подобного результата. Теория струн существует уже более двадцати лет, но физики все еще не могут объединить ее противоречивые начала. К тому же, стоит учесть, что не было предложено ни одного лабораторного опыта, который смог бы подтвердить ее истинность. Конечно же, все знания насчет нее до сих пор только теоретические. Какие существуют прогнозы? Они многочисленны – хватает среди них и положительных, и отрицательных.

fb.ru

Квантовая струна - это... Что такое Квантовая струна?

Ква́нтовая струна́ (англ. string) — в теории струн бесконечно тонкие одномерные объекты длиной в 10−35 м[1], колебания которых производит всё многообразие элементарных частиц. Характер колебаний струны задаёт свойства материи, такие как электрический заряд и масса.

Определения

Квантовая струна может быть определена несколькими равнозначными способами:

Координатное определение: пространственная кривая общего положения, с каждой точкой которой связан квантовый гармонический осциллятор. С точки зрения динамики при движении заметает двумерную поверхность общего вида.
Алгебро-геометрическое определение: алгебраическая кривая общего вида, с допустимыми на ней математическими структурами.
Теоретико-полевое определение: мультилокальный квантовый функционал Φ=Φ({X(σ)}), являющийся функцией каждой точки струны, который в гильбертовом пространстве струнных возбуждений является суперпозицией всех возможных конфигураций струн.
Геометрически-полевое определение: непараметризованная точка общего положения в пространстве всех физических конфигураций струн, то есть не зависящих от системы координат (пространство петель).

Типы струн

Существуют струны у которых есть концы, их называют открытыми, и у которых концов нет, их называют замкнутыми.В случае, если Φ зависит только от бозонных переменных, то струна является бозонной. Если Φ зависит только от фермионных переменных, то фермионной. Если и от бозонных и фермионных, при условии суперсимметрии, то суперсимметричной или суперструной. Если требование суперсимметрии частично невыполнимо, то гетеротической.На языке определения 1 это соответственно бозонные и фермионные осцилляторы. Струны могут быть как ориентированными(стрелка внутри), так и неориентированными.

Главной особенностью квантовых струн является то, что они «живут» в критической или подкритической размерности пространства, в отличие от классических струн. Бозонная струна в D=26, а фермионная и суперструна в D=10, для известных моделей гетеротических струн критическая размерность также равна 10. Это является следствием устранения нефизических состояний, так называемых дýхов из спектра струны во время процедуры квантования и известно как «Теорема об отсутствии духов».

Взаимодействия

Квантовые струны довольно сложным образом взаимодействуют друг с другом, так как являются нелокальными, более точно мультилокальными объектами. Однако с точки зрения изменения их формы (топологии) допустимы лишь 5 элементарных локальных актов, согласующихся с физическими принципами:

Открытая струна (с концами) может разорваться в точке на 2 открытые струны.
Замкнутая струна (без концов) может сойтись во внутренней точке касания и расщепиться на 2 замкнутые струны.
Замкнутая струна может разорваться в точке и стать открытой.
2 открытые струны могут обменяться в точке касания сегментами.
Открытая струна может потерять сегмент в виде замкнутой струны, через внутреннюю точку касания.

Все точки взаимодействия являются «тройными» точками, которые при малом шевелении дают все 5 вышенаписанных перестроек. Обратные процессы добавляют ещё 5 элементарных локальных актов взаимодействия.

Для суперструн из-за разных условий на бозонные и фермионные переменные приходится добавлять в «тройную» точку дополнительные поля, чтобы не нарушить суперсимметрию. (см. литературу в примечании и список литературы в статье Теория струн)

Многие исследователи полагают, что на основе моделей струн и суперструн удастся построить всю низкоэнергетическую физику нашего мира.

Примечание

И.Арефьева, И.Волович, ТиМ физика, т.67, 2,1986
Kaku M. Introduction to the Field Theory of Strings. WS, Singapore, 1985

См. также

Литература

↑ Музыка сфер

dvc.academic.ru