Лурк теория струн: | зеркало лурк Lurkmore |

Содержание

Почему теория струн не является научной теорией / Хабр

Учёные работают над ней, она согласовывается с наукой, и выражаются надежды, что она может стать величайшим научным прорывом. Но в ней не хватает ключевого ингредиента.

Сейчас у струнных теоретиков нет объяснения тому, почему существует три больших пространственных измерения и время, а остальные измерения микроскопические. Предположения на этот счёт делаются самые разные.

— Эдвард Уиттен

Существует много способов определения науки, но один из тех, с которым могут согласиться, пожалуй, все – описывает науку, как процесс, в результате которого:

собираются знания по поводу естественных процессов или конкретного явления;

выдвигается проверяемая гипотеза, содержащая естественное, физическое объяснение этого явления;

эта гипотеза проверяется и либо подтверждается, либо опровергается;

строится более общий каркас, или научная теория, описывающая гипотезу и делающая предсказания других явлений;

она в свою очередь также проверяется и либо подтверждается, в случае чего начинаются поиски новых явлений, которые можно проверить (обратно на 3-й шаг), или опровергается, в случае чего выдвигается новая проверяемая гипотеза (обратно на 2-й шаг).

И так далее. Этот научный процесс всегда включает постоянный сбор новых данных, уточнение или замену гипотез, когда процесс выходит за сферу действия гипотезы, и проверку теории с целью её подтверждения или опровержения.

Именно так всегда продвигалась наука, признаём мы это или нет. Гелиоцентризм пришёл на смену геоцентризму, потому что он объяснял явления, которые не мог объяснить геоцентризм, включая:

луны Юпитера;

фазы и относительные размеры Венеры и Марса в разное время года;

периодичность кометных орбит.

Ньютоновская гравитация пришла на смену законам Кеплера из-за её возможности делать предсказания, комбинируя наземную и небесную механику. Даже теория относительности Эйнштейна, общая и специальная, появилась в ответ на невозможность ньютоновской механики объяснить поведение на скоростях, близких к скорости света, а также в сильных гравитационных полях. Для этого потребовалось провести наблюдения, невозможные во времена Ньютона, например, измерить время жизни частиц, появляющихся при радиоактивном распаде и орбиту Меркурия вокруг Солнца на протяжении веков. Продолжающийся сбор данных – в новых условиях, с увеличенной точностью и на более долгих промежутках – позволил нам увидеть недостатки в ярких, но обладавших короткой жизнью научных теориях, а также разглядеть потенциал расширения за их пределы.

Перенесёмся в сегодняшний день. ОТО Эйнштейна пока остаётся лидирующей теорией гравитации, она прошла все эксперименты и наблюдения, которым подвергалась, от гравитационного линзирования до увлечения инерциальных систем отсчёта и уменьшения орбит двойных пульсаров, а три оставшихся фундаментальных взаимодействия – электромагнетизм, слабое и сильное – описываются квантовыми теориями поля. Эти два класса теорий несовместимы и не полны, что показывает, что во Вселенной есть много такого, чего мы не понимаем, несмотря на успех Стандартной модели и необходимость в квантовой теории гравитации.

Один вариант решения этой загадки – теория струн, идея, состоящая в том, что всё, что мы воспринимаем как частицы или взаимодействия, является лишь проявлением открытых или закрытых струн, вибрирующих на определённых уникальных частотах.

Может показаться, что раз мы называем идею теорией струн и предлагаем её как возможное решение научной проблемы, мы уже утвердительно ответили на вопрос: да, теория струн является научной. Но её можно назвать теорией только в математическом смысле, что у неё есть свой набор аксиом, постулатов, элементов, теорем и выводов, которые можно из этого сделать. Теория множеств, теория групп и теория чисел – это примеры математических теорий, и теория струн – ещё один схожий пример.

Но физическая ли это теория?

Она делает физические предсказания, например:

о существовании десяти измерений;

о предопределённости фундаментальных констант «вакуумом»;

о существовании суперсимметричных частиц;

о существовании математической эквивалентности между теорией квантовой гравитации в, допустим, пятимерном пространстве и теорией поля без гравитации на границе этого пространства (четырёхмерной).

Это, безусловно, предсказания о физике Вселенной. Но можно ли их проверить?

Пока что ответ — нет. Первая проблема крайне серьезна: нужно избавиться от шести измерений, чтобы прийти к воспринимаемой Вселенной, а это можно сделать таким количеством способов, что их число больше, чем атомов во Вселенной. Ещё хуже, что каждый из них даёт свой вариант «вакуума» в теории струн, без понятного способа получения фундаментальных констант, описывающих нашу Вселенную – а это уже второе предсказание.

Третье пока не подтвердилось, но нам потребуются энергии в ~10¹⁵ раз большие, чем выдаёт БАК, чтобы полностью исключить теорию струн и опровергнуть её. Кроме того, суперсимметричные частицы – это не уникальное предсказание струнной теории. Их обнаружение будет означать лишь, что струнная теория не исключается, а не то, что она правильная. А последнее предсказание – математическое, а не физическое. Оно не даёт нам возможности что-то пронаблюдать или протестировать.

И хотя недавно по ней проводилась целая конференция, толчком к которой послужила спорная работа, написанная в прошлом году Джорджом Эллисом и Джо Силком, ответ ясен: нет, струнная теория не является научной. Люди пытаются превратить её в науку – как сказали Сабрина Хоссенфелдер и Дэвид Кастелвеччи [Sabine Hossenfelder and Davide Castelvecchi] – меняя определение науки.

Вот так чушь! Если я покажу вам тюльпан и скажу: «это роза», вы можете показать мне все розы в мире и сказать, «нет, вот это розы, а у тебя – тюльпан». А если я поменяю определение розы, чтобы оно включало тюльпаны, станет ли он из-за этого розой? Или я просто превращу полезное определение и разделение в менее полезное?

Чтобы подняться до уровня научной теории, вам нужно сделать проверяемое – а следовательно, опровергаемое – предсказание. Даже физическое состояние, появляющееся вследствие устоявшейся теории, такое, как множественные вселенные, не будет научной теорией, пока мы не найдём способ его подтвердить или опровергнуть; это только гипотеза, даже если это хорошая гипотеза. Интересно, что когда струнную теорию предложили впервые, она называлась струнной гипотезой, поскольку все понимали, что она ещё не поднялась до уровня взрослой теории. (Конечно, в то время она постулировала, что струны были фундаментальными сущностями внутри ядер атомов вместо кварков и глюонов).

И это всё ещё физическая гипотеза, и возможно, когда-нибудь она станет физически интересной научной теорией. В этот день мы все с гордостью поприветствуем струнную теорию, входящую в сообщество научных. До тех пор согласимся, что струнная теория интересна, благодаря содержащимся в ней возможностям. Имеют ли значение и смысл эти возможности для нашей Вселенной – на этот вопрос сегодняшняя наука ответить не может.

Эволюция теории струн до М-теории / Хабр

Доброго времени суток, уважаемое хабрасообщество. После моего долгого отсутствия я решил вновь взяться за

~~перо~~

клавиатуру. Сегодня мы попробуем проследить эволюцию теории струн до М-теории, и найти ответы на вопросы: что подтолкнуло ученых к развитию данной теории, с какими проблемами им пришлось столкнуться, и над чем сейчас ломают головы лучшие умы человечества.

Теория струн

На Хабре уже была статья по теории струн. Если вкратце в 1968 году ученые обратили внимание, что математическая функция, которая называется бета-функция Эйлера, идеально описывает свойства частиц, которые участвуют в так называемом сильном взаимодействии — одном из четырёх фундаментальных взаимодействий во Вселенной.

При дальнейших проверках этот факт получил подтверждение, интересно было и то, что ранее данная функция в основном применялась при описании колебаний натянутых струн.

При виде всего этого исследователи задались резонным вопросом: «А что, если элементарные частицы вовсе и не частицы, а микроскопические тончайшие струны, а то, что мы наблюдаем на практике — это не траектория движения частицы, а траектория колебания, проходящего по этой струне?». При том, характер колебания и указывает, какая частица перед нами: один вид колебания (колебательная мода) — одна частица, другой вид — другая.

Первые же исследования показали, что теория струн достигает значительных успехов в описании наблюдаемых явлений. Одна из мод колебаний струны может быть идентифицирована как гравитон. Другие колебательные моды проявляют свойства фотонов и глюонов.

Не без оснований казалось, что теория струн, способна свести все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной к одному — колебанию одномерной струны с соответствующим переносом энергии. При этом теория струн так же позволяет объяснить основные константы микромира с математической точки зрения. Становилось понятно, почему, например, массы элементарных частиц именно такие, какие есть.

Кроме того, теория струн давала надежду на объединение ОТО (общая теория относительности) и квантовой механики в рамках одной теории. При расчётах выяснилось, что собственные колебания струн способны гасить и уравновешивать квантовые флуктуации и тем самым устранить возмущения на микроскопическом уровне, из-за которых ОТО и квантовую механику никак не удавалось подружить.

Однако, при более глубоких исследованиях и проверках теории выявились серьёзные противоречия следствий с экспериментальными данными. Например, в теории струн обязательно присутствовала частица — тахион (квадрат массы которой меньше нуля, и движущаяся с скоростью большей скорости света) — как одна из колебательных мод струны, что подразумевало под собой нестабильное состояние струны и явно показывало, что теория струн требует модификации.

Теория суперструн

В 1971 году была создана модифицированная теория струн под названием «теория суперструн».

Для понимания модификаций попробуем разобраться с такой характеристикой, как спин. Имеется распространенный вариант объяснения сути спина «на пальцах»: спин — это количество оборотов вокруг своей оси, которые надо сделать частице, чтобы выглядеть так же, как вначале. Для спинов в пределах единицы все вроде понятно (любому предмету неправильной формы можно приписать «спин», равный единице), а для попытки представить себе форму объекта, который надо прокрутить вокруг оси дважды, чтобы он выглядел так же, как вначале, можно посмотреть на иллюстрацию справа. На ней изображен четырёхтактный двигатель, который возвращается в исходное состояние при повороте коленчатого вала на 720°, что является неким аналогом полуцелого спина.

На данный момент считается, что элементарные частицы могут иметь только полуцелый или целочисленный спины. Бозонами называются те частицы, которые имеют целочисленный спин. Фермионы — частицы, у которых спин полуцелый. Исходя из этого, первая версия теории струн описывала только бозоны, из-за чего она также называлась как «бозонная теория струн». Теория суперструн же включала и фермионы — при таком подходе проблема наличия тахионов, как и множество других противоречий в теории разрешались!

Но не обошлось без новых проблем. В теории суперструн получалось, что для каждого бозона должен существовать соответствующий фермион, то есть между бозонами и фермионами должна существовать определённая симметрия. Такой вид симметрии предсказывался и раньше — под названием «суперсимметрия». Но экспериментально существование суперсимметричных фермионов не было подтверждено. Объяснялось это тем, что по расчётам, суперсимметричные фермионы должны обладать огромной для микромира массой, и потому в обычных условиях их не получить. Для того, чтобы зарегистрировать их, нужны огромные энергии, которые достигаются при столкновении лёгких частиц на почти световых скоростях.

Суперсимметричные фермионы и сейчас пытаются зарегистрировать в экспериментах на Большом адронном коллайдере, но пока безуспешно.

Многомерная Вселенная

В то же время уравнения теории суперструн никак не хотели согласовываться с квантовой теорией, выдавая в результате отрицательные или бо́льше единицы вероятности.

Чтобы были понятны предпосылки дальнейшего развития теории, совершим небольшой экскурс в историю. В далёком 1919 году немецкий математик Калуца прислал Эйнштейну письмо, где изложил свою теорию в которой делал допущение, что на самом деле Вселенная может быть четырёхмерной в пространстве, и в доказательство своих слов приводил свои расчёты, из которых получалось, что при таком условии ОТО замечательно согласовывается с теорией электромагнитного поля Максвелла, чего невозможно достичь в обычной трехмерной Вселенной. Современники высмеяли теорию, вскоре и Эйнштейн, изначально заинтересовавшийся теорией, разочаровался в ней.

В 1926 году физик Оскар Клейн тоже заинтересовался работами Калуцы и усовершенствовал его модель. По Клейну получалось, что дополнительное измерение действительно может существовать, но оно находится в «свёрнутом» и зацикленном на самом себе виде. Причём свернуто четвёртое измерение очень туго — до размеров элементарных частиц, поэтому мы его и не замечаем. Теория получила название пятимерного мира Калуцы — Клейна (четыре измерения в пространстве + время), но и она пробыла в забвении вплоть до 80-х годов 20 века.

Ученые в попытке объяснить несоответствия теории струн с квантовой механикой выдвинули предположение, что проблемы в расчётах были из-за того, что струны в нашей теории могут колебаться всего лишь в трёх направлениях, которыми располагает наша Вселенная. Вот если бы струны могли бы колебаться в четырёх измерениях…

Расчёты показали, что и в этом случае проблемы остаются, но зато число противоречий в уравнениях уменьшаются. Исследователи продолжали увеличивать число измерений, пока не ввели целых 9 измерений в пространстве, при которых, наконец-то, теория суперструн сошлась с квантовой механикой и ОТО. Этот момент вошел в историю как «первая революция в теории струн». Именно с этого момента начали раздаваться возгласы, что на самом деле мы живём в десятимерной Вселенной — одно измерение во времени, три знакомых нам измерения развернуты до космических размеров, а остальные шесть свернуты в микроскопических масштабах и потому незаметны.

С практической точки зрения ни подтвердить, ни опровергнуть экспериментально это на данный момент невозможно, так как речь идёт о таких малых масштабах струн и свернутых измерений, которые недоступны для фиксации современной аппаратурой.

При дальнейших разработках ученым удалось в теории установить общий вид шести свернутых измерений, при которых наш мир оставался таким, какой он есть. Этот вид соответствует математическим объектам из группы под названием «многообразия Калаби-Яу» (на илл. справа). Но каких-то многообещающих следствий это не принесло, хотя общий вид этих объектов и вычислили, но точный вид, как оказалось, нельзя установить без эксперимента. А без нахождения точного вида пространства Калаби-Яу нашей Вселенной вся теория суперструн сводилась по сути в гадание на кофейной гуще.

Впрочем, работы продолжались, и постепенно ученым удалось вычленить из общей массы гипотез пять более-менее правдоподобных теорий, которые могли бы описать нашу Вселенную. Это 5 известных суперструнных теорий, при этом все они ра́вно претендовали на звание единственно верной и при этом выглядели несовместимыми между собой, что вызывало у ученых сильную обеспокоенность.

М-теория

Лишь в середине девяностых годов прошлого века произошла так называемая «вторая революция в теории струн». Эдвард Виттен выдвинул гипотезу, что различные суперструнные теории представляют собой различные предельные случаи неразработанной пока 11-мерной М-теории.

Введение ещё одного измерения в целом не нарушает связь квантовой теории и ОТО, и более того — снимает очень многие накопившиеся проблемы в теории суперструн. В том числе успешно скрещивает все пять суперструнных теорий в одну-единственную M-теорию, которая на сегодня является без преувеличения высшим достижением физиков в деле познания Вселенной.

Согласно M-теории получается, что основа Вселенной — не только одномерные струны. Могут существовать и двухмерные аналоги струн — мембраны, и трёхмерные, и четырёхмерные… Эти конструкции были названы бранами (струна — 1-брана, мембрана — 2-брана, и так далее). М-теория оперирует двумерными и пятимерными бранами, но даже базовая теория бран на данный момент все ещё находится в разработке. Существование бран экспериментально не подтверждено — на данном этапе развития теории считается, что браны принципиально ненаблюдаемы.

При всем при этом М-теория при низких энергиях аппроксимируется супергравитацией в одиннадцати измерениях. Связь с гравитацией делает М-теорию претендентом на то, чтобы стать связующей теорией между всеми фундаментальных взаимодействий во Вселенной, или другими словами — «Единой теорией всего».

Однако, проблема с конечным видом пространства Калаби-Яу в М-теории всё ещё остается нерешенной — на макроскопических масштабах теория должна сводиться к известной и очень хорошо проверенной физике элементарных частиц. Но, как выясняется, способов такого сведения существует по меньшей мере 10¹⁰⁰, а то и 10⁵⁰⁰, а то и вовсе бесконечность. При этом каждая из получившихся четырёхмерных теорий описывает свой собственный мир, который может быть похож на реальность, а может и принципиально отличаться от неё.

Всё это из-за того, что свойства частиц считаются способом колебания струн, а возможные способы колебания струн зависят от точной геометрии дополнительных измерений. Существующим приближенным уравнениям удовлетворяет огромное количество разных геометрий. То есть эти уравнения были бы справедливы не только в нашем мире, но и в огромном количестве других миров, а возможно — в любом мире. Будь эти приближенные уравнения окончательными, теорию можно было бы признать нефальсифицируемой по Попперу, то есть ненаучной теорией. А так — нахождение точных уравнений, возможно, всё ещё расставит по своим местам.

В данный момент развитие М-теории осложняется еще и тем, что уравнения её описывающие настолько сложны, что ученые большей частью оперируют только их приближёнными формами, что не ведёт к повышению точности результатов. Более того, часто складывается такая ситуация, что для решения этих уравнений даже соответствующих математических методов не создано, что также создает существенные проблемы. В последнее время там где физика упирается в тупик, на самом деле часто в тупик упирается именно математика. Некоторые ученые говорят, что заметное развитие М-теория получит, только если случится «математический прорыв».

Теория струн и, в частности, М-теория, сегодня является одним из самых динамично развивающихся направлений современной физики. И хотя часть ученых из-за фундаментальных проблем довольно скептически относится к тому, что данная теория в конце концов приведет к физической теории, описывающей наш реальный мир. Существенная часть исследователей не оставляет своих надежд и верит, что в один прекрасный день М-теория таки оформится в элегантную и математически изящную Единую теорию всего.

Надеюсь, что данная статья не оставила Вас равнодушными, и буду очень рад если Вы решите, что не зря потратили время за чтением.

Stringscape – Physics World

За свою почти 40-летнюю историю теория струн прошла путь от теории адронов до теории всего и, возможно, до теории ничего. Действительно, современная теория струн — это даже не теория струн, а теория многомерных объектов, называемых бранами. Мэтью Чалмерс пытается распутать огромную теоретическую основу, которой является теория струн, и открывает мир умопомрачительных идей, ощутимых успехов и пугающих проблем, большинство из которых, как ни странно, основаны на экспериментальных данных.

Stringscape

Также доступна версия этой статьи в формате PDF (750 КБ).

Такие проблемы, как охлаждение кольца сверхпроводящих магнитов диаметром 27 км и весом 37 000 тонн до температуры 1,9 К с помощью грузовиков с жидким гелием, обычно не вызывают у физиков-теоретиков интереса. Поэтому может оказаться сюрпризом узнать, что струнные теоретики, известные в последнее время своей верой в теорию, якобы не имеющую связи с реальностью, начали свою главную конференцию в этом году — Strings07 — с обновления последних достижений, достигнутых на конференции. Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН, запуск которого запланирован на май следующего года.

Вероятность, пусть и крошечная, того, что свидетельства в пользу теории струн могут появиться в протон-протонных столкновениях LHC с энергией 14 ТэВ, была видна в дискуссиях на пятидневной конференции, которая проходила в Мадриде в конце июня. На самом деле, доклады были приправлены языком реальных данных, частиц и полей, особенно в отношении космологии. По общему признанию, сторонники теории струн прячут эти более осязаемые концепции в эзотерической грамматике многомерной математики, где таятся такие вещи, как «ТВО-браны», «головастики» и «искаженные глотки». Тем не менее, Strings07 явно был посвящен физике, а не математике, философии или, возможно, даже теологии.

Но не все верят, что теория струн — это чистая и простая физика. Наслаждаясь двумя десятилетиями того, как ее ярко изображали как элегантную «теорию всего», которая обеспечивает квантовую теорию гравитации и объединяет четыре силы природы, теория струн за последний год или около того подверглась небольшой критике. Большая часть этой критики восходит к публикации двух книг: «Проблемы с физикой » Ли Смолина из Института периметра в Канаде и «Даже не так».0014 Питера Войта из Колумбийского университета в США, который подверг теорию струн критике, среди прочего, за то, что не сделал никаких проверяемых предсказаний. Это дало редакторам газет и журналов отличный повод для полемики на высоком уровне, а некоторые рецензенты даже зашли так далеко, что предположили, что теория струн не более научна, чем креационизм (см. «Натягивая физику»).

Часть критики понятна. Большинству людей, в том числе многим физикам, кажется, что теория струн не сообщила нам ничего нового о том, как на самом деле устроен мир, несмотря на почти 40 лет попыток. «К сожалению, я не могу представить ни одного экспериментального результата, опровергающего теорию струн», — говорит Шелдон Глэшоу из Гарвардского университета, разделявший 1979 Нобелевская премия по физике за роль в разработке единой электрослабой теории, которая составляет основу Стандартной модели физики элементарных частиц. «Меня воспитали с верой в то, что системы верований, которые нельзя опровергнуть, не относятся к области науки».

Теория струн, безусловно, беспрецедентна по количеству времени, в течение которого исследовательская программа в области теоретической физики выполнялась без четкой экспериментальной проверки. Но хотя можно спорить, не слишком ли много времени ушло на то, чтобы зайти так далеко, в настоящее время теорию струн лучше всего рассматривать как теоретическую основу, а не как хорошо сформулированную физическую теорию, способную делать конкретные предсказания. С этой точки зрения теория струн больше похожа на квантовую теорию поля — структуру, сочетающую квантовую механику и специальную теорию относительности, — чем на Стандартную модель, являющуюся особой теорией поля, феноменально успешно описывающей реальный мир в течение последних 35 лет. лет или около того.

Теория струн — это теория «ДНК» Вселенной, но мы изучаем только одну «форму жизни» — наш собственный локальный участок космоса. Это как если бы у Грегора Менделя была только одна горошина и простое увеличительное стекло, с помощью которого он должен был открыть двойную спираль и четыре основания A, C, G и T. Леонард Сасскинд, Стэнфордский университет

Эд Виттен из Института перспективных исследований (IAS) Принстонского университета, которого многие считают ведущей фигурой в теории струн, признает, что тому, кто не работал над этой темой, трудно правильно понять это различие. «Теория струн не похожа ни на одну из теорий, с которыми мы имели дело раньше, — говорит он. «Он невероятно богат и в основном похоронен под землей. Люди просто знают обрывки на поверхности или то, что они нашли, немного покопавшись, хотя пока это составляет огромный объем знаний».

Некоторые критики также критикуют теорию струн за ее неспособность ответить на фундаментальные вопросы о Вселенной, которые только она, как наша лучшая рабочая модель квантовой гравитации, может серьезно решить. Некоторые из этих вопросов, говорит Дэвид Гросс из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB), получивший Нобелевскую премию 2004 года за свою работу по квантовой хромодинамике (КХД), возникли со времен квантовой механики. «Теория струн заставляет нас признать сингулярность Большого взрыва и космологическую постоянную — проблемы, которые либо игнорировались до сих пор, либо доводили людей до отчаяния», — говорит он.

Гросс также считает, что многие люди ожидают, что теория струн будет соответствовать несправедливо высоким стандартам. «Теория струн полна качественных предсказаний, таких как образование черных дыр на БАК или космические струны в небе, и этот уровень предсказаний вполне приемлем почти во всех других областях науки», — говорит он. «Только в физике элементарных частиц теория может быть отвергнута, если 10-й десятичный знак предсказания не согласуется с экспериментом».

Так что же мешает теории струн делать окончательные, поддающиеся проверке предсказания, которые раз и навсегда установили бы ее статус жизнеспособной теории природы? И почему перспектива работать над чем-то, что может оказаться более фантастическим, чем физика, продолжает привлекать сотни самых способных студентов со всего мира? В конце концов, значительная часть из почти 500 участников Strings07 находилась в самом начале своей карьеры. «Я чувствую, что природа должна сделать так, чтобы мы изучали теорию струн, потому что я просто не могу поверить, что люди случайно наткнулись на что-то настолько богатое», — говорит Виттен. «Одно из самых больших опасений, с которыми мы сталкиваемся, заключается в том, что теория может оказаться слишком сложной для понимания».

Непреодолимая привлекательность

В некотором смысле теория струн выглядит жертвой собственного успеха. Он не стремился соединить два столпа современной физики — квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна — одновременно объединяя гравитацию с тремя другими основными силами природы: электромагнетизмом, сильным и слабым взаимодействием. Вернее, теория струн зародилась в 1970 году, когда физики элементарных частиц поняли, что модель сильного взаимодействия, которая была предложена двумя годами ранее для объяснения множества экспериментально наблюдаемых адронов, на самом деле была теорией квантово-механических струн (см. хронологию ниже).

Шелдон Глэшоу

На этой ранней картинке кварки внутри адронов выглядят так, как если бы они были связаны крошечной струной с определенным натяжением, что означало, что различные типы адронов могли быть аккуратно организованы с точки зрения различных колебательных мод. таких одномерных квантовых струн. Хотя эта модель вскоре была вытеснена КХД — квантовой теорией поля, рассматривающей частицы как точечные, а не как струны, — вскоре стало ясно, что за струнной картиной мира скрывается нечто более замечательное, чем простые адроны.

Теория струн отличается от религии своей полезностью в математике и квантовой теории поля, а также тем, что когда-нибудь она может превратиться в проверяемую теорию (она же наука). Шелдон Глэшоу, Бостонский университет

Одна из нескольких проблем с исходной моделью адронной струны заключалась в том, что она предсказывала существование безмассовых частиц со спином 2, которые должны были появляться повсюду в экспериментах. Они соответствуют колебаниям струн, связанных с обоих концов, в отличие от «открытых» струн, гармоники которых описывают различные адроны. Но в 1974 Джон Шварц из Калифорнийского технологического института и другие (см. хронологию ниже) показали, что эти замкнутые петли обладают в точности свойствами гравитонов: гипотетических частиц со спином 2, которые возникают, когда вы пытаетесь перевернуть общую теорию относительности, классическую теорию, в которой гравитация возникает из искривления пространства-времени в квантовой теории поля, подобной Стандартной модели. Хотя масштаб фундаментальной струны должен был быть примерно на 10 ²⁰ порядка меньше, чем первоначально предполагалось для объяснения слабости гравитационного взаимодействия, теория струн сразу представила потенциальную квантовую теорию гравитации.

«Квантовые теории поля не допускают существования гравитационных сил», — говорит Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета, который в 1970 году одним из первых связал адроны со струнами. «Теория струн не только допускает гравитацию, но гравитация является важным математическим следствием теории. Скептики говорят большое дело; струнные теоретики говорят: БОЛЬШОЕ ДЕЛО!»

Теория струн преуспевает там, где квантовая теория поля терпит неудачу в этом отношении, потому что она обходит взаимодействия на коротких расстояниях, которые могут привести к расхождениям в расчетах наблюдаемых величин и давать бессмысленные результаты. В Стандартной модели, основанной на калибровочной симметрии или калибровочной группе SU(3) × SU(2) × U(1), где SU(3) — это КХД, а SU(2) × U(1) — единая электрослабая теория — элементарные частицы взаимодействуют, обмениваясь частицами, называемыми калибровочными бозонами. Например, фотоны опосредуют электромагнитное взаимодействие, которое описывается оригинальной и наиболее успешной теорией поля всех времен: квантовой электродинамикой (КЭД), разработанной Фейнманом и другими в XIX веке.40с.

Наглядно эти взаимодействия происходят там и тогда, когда пространственно-временные истории или «мировые линии» точечных частиц пересекаются, и простейшая из таких диаграмм Фейнмана соответствует классическому пределу квантовой теории. При условии, что сила лежащего в основе взаимодействия, которая описывается константой связи теории или константой тонкой структуры в случае КЭД, слаба, теоретики могут вычислить вероятности того, что определенные физические процессы происходят, складывая все квантовые «петлевые» поправки к основной базовой диаграмме (см. «Почему теория струн ничего не может предсказать?» в части 2 этой статьи).

Скрытые измерения

Однако при попытке включить гравитацию в Стандартную модель такие «пертурбативные расширения» теории (которые представляют собой степенные ряды в константе связи) выходят из строя. Это связано с тем, что гравитационная постоянная Ньютона не безразмерна, как, скажем, постоянная тонкой структуры. В результате гравитоны, возникающие в результате квантования метрики пространства-времени в общей теории относительности, приводят к точечным взаимодействиям с бесконечными вероятностями. Теория струн обходит это, заменяя одномерные траектории, прочерченные точечными частицами в пространстве-времени, двухмерными поверхностями, заметаемыми струнами. В результате все фундаментальные взаимодействия могут быть описаны топологически в терминах двумерных «мировых листов», расщепляющихся и воссоединяющихся в пространстве-времени. Вероятность возникновения таких взаимодействий определяется одним параметром – натяжением струны, и дивергенции на короткие расстояния никогда не возникают. «Теория струн выросла как сумма аналога диаграмм Фейнмана в 2D», — говорит Майкл Грин из Кембриджского университета в Великобритании. «Но разработка правил двумерной теории возмущений — это только начало проблемы».

Это потому, что теория возмущений работает только в том случае, если пространство-время обладает некоторыми довольно потусторонними свойствами, одним из которых является суперсимметрия. В то время как струны в первоначальной адронной теории были бозонными (т. е. их колебания соответствовали частицам, таким как фотоны, которые имеют целые значения спина в единицах постоянной Планка), мир в основном состоит из фермионов — частиц, таких как электроны и протоны, которые имеют полуцелые спины. В середине 1970-х Шварц и другие поняли, что единственный способ, которым теория струн могла бы приспособить фермионы, состоял в том, чтобы каждое колебание бозонной струны имело суперсимметричный фермионный аналог, который соответствует частице с точно такой же массой (и наоборот). Таким образом, теория струн является сокращением от теории суперструн, и одна из главных целей БАК — выяснить, действительно ли существуют такие суперсимметричные частицы.

Довольно странно

Другим требованием, которое теория струн предъявляет к пространству-времени, является кажущееся смехотворным количество измерений. Первоначальная бозонная теория, например, соблюдает лоренц-инвариантность — наблюдаемую симметрию пространства-времени, утверждающую, что в пространстве нет предпочтительного направления, — только если она сформулирована в 26 измерениях. Для суперструн требуются более скромные 10 измерений: девять пространственных и одно временное. Но для того, чтобы объяснить тот факт, что пространственных измерений всего три, струнные теоретики должны найти способы справиться с дополнительными шестью, что обычно делается путем «компактизации» дополнительных измерений в очень малых масштабах.

«Называть их дополнительными измерениями в каком-то смысле неправильно, потому что все детализировано в планковском [струнном] масштабе, — говорит Грин. «Поскольку они определяются квантово-механически, их следует рассматривать как некую внутреннюю пространственно-временную структуру». В самом деле, хотя работа струнных теоретиков была бы намного проще, если бы Вселенная была 10-мерной, а не 4-мерной, тот факт, что у струн есть шесть дополнительных измерений, в которых они могут вибрировать, может объяснить загадочные внутренние свойства элементарных частиц, такие как их спины. и обвинения.

Коробка: Строки в контексте

1968: Габриэле Венециано обнаруживает, что «бета-функция» Эйлера упорядочивает измеренные амплитуды рассеяния различных типов адронов.
1970: Леонард Сасскинд, Йоичиро Намбу и Хольгер Нильсен независимо отождествляют амплитуды Венециано с решениями квантово-механической теории одномерных бозонных струн.
1971: Клод Лавлейс понимает, что теория струн требует 26 измерений; Юрий Гольфанд и Евгений Лихтман открывают суперсимметрию в 4D; Джон Шварц, Андре Невё и Пьер Рамон понимают, что теория струн требует суперсимметрии для учета фермионов, а также бозонов; Джерард ‘т Хофт показывает, что электрослабое объединение, предложенное Стивеном Вайнбергом в 1967 является «перенормируемым», что делает калибровочные теории физически жизнеспособными.
1973: Джулиус Весс и Бруно Зумино разрабатывают суперсимметричные квантовые теории поля; Дэвид Гросс, Фрэнк Вилчек и Дэвид Политцер открывают асимптотическую свободу и таким образом устанавливают КХД; в сочетании с электрослабой теорией устанавливается Стандартная модель.
1974: Шварц и Джоэл Шерк (и, независимо, Тамиаки Йонея) понимают, что теория струн содержит гравитоны, и предлагают единую структуру квантовой механики и общей теории относительности; Шелдон Глэшоу и Ховард Джорджи предлагают великое объединение сил Стандартной модели через группу симметрии SU(5).
1976: Стивен Хокинг утверждает, что квантовая механика нарушается при образовании и распаде черной дыры; математики открывают пространства Калаби–Яу.
1978: Эжен Креммер, Бернар Жюлиа и Шерк строят супергравитацию 11D, которая включает в себя суперсимметрию в общей теории относительности.
1981: Шварц и Майкл Грин формулируют теорию суперструн типа I; Джорджи и Савас Димопулос предлагают суперсимметричные расширения Стандартной модели.
1982: Грин и Шварц разрабатывают теорию суперструн типа II; Андрей Линде и другие изобретают современную инфляционную теорию, из которой следует мультивселенная.
1983: Открытие бозонов W и Z в ЦЕРН закрепило десятилетие успеха Стандартной модели; Эд Виттен и Луис Альварес-Гоме показывают, что калибровочные аномалии сокращаются в теории суперструн типа IIB.
1984: Грин и Шварц показывают, что аномалии в теории типа I сокращаются, если теория 10D и имеет либо SO(32), либо E ₈ × E ₈ калибровочная симметрия; Обнаружена Т-двойственность.
1985: Гросс, Джефф Харви, Райан Ром и Эмиль Мартинек строят теорию гетеротических струн; Филип Канделас, Эндрю Строминджер, Гэри Горовиц и Виттен находят способ компактификации дополнительных шести измерений с использованием пространств Калаби-Яу.
1987: Вайнберг использует антропные рассуждения, чтобы ограничить космологическую постоянную.
1994: Сасскинд предлагает голографический принцип, расширяя работу, проделанную т Хофтом.
1995: Пол Таунсенд, Крис Халл и Виттен предполагают, что теория типа IIA является пределом слабой связи 11D «М-теории»; Полчински открывает D-браны; Виттен и другие предполагают, что все пять теорий струн связаны дуальностями, некоторым из которых способствуют D-браны.
1996: Виттен и Полчински обнаруживают, что теория типа I и гетеротическая теория SO(32) связаны S-дуальностью; Виттен и Петр Горжава показывают E ₈ × E ₈ — низкоэнергетический предел М-теории; Строминджер и Камрун Вафа выводят формулу энтропии Бекенштейна-Хокинга для черной дыры, используя теорию струн; Сасскинд и другие предлагают кандидата на М-теорию, называемую матричной теорией.
1997: Хуан Малдасена обнаруживает эквивалентность между теорией струн и квантовой теорией поля (дуальность AdS/CFT), тем самым обеспечивая точное проявление голографического принципа.
1998: Экспериментальное открытие ускоряющегося расширения Вселенной предполагает небольшое положительное значение вакуумного ожидания в форме космологической постоянной; Лиза Рэндалл и Раман Сандрам предлагают сценарии мира на бране в качестве альтернативы компактификации.
1999: Джиа Двали и Генри Тай предлагают модели вздутия браны.
2003: Статья KKLT показывает, что суперсимметрия может быть нарушена для получения небольшого положительного вакуумного среднего, используя компактификацию потока для работы с дополнительными измерениями; Сасскинд вводит термин «ландшафт» для описания обширного пространства решений, подразумеваемого компактификацией потоков, и обращается к антропному принципу и мультивселенной для объяснения космологической постоянной; статья KKLMMT расширяет KKLT до космологии.
2004: Хокинг признает, что ошибался насчет черных дыр, и уступает пари Джону Прескиллу.
2005: Теория струн упоминается в контексте кварк-глюонной плазмы RHIC благодаря применению AdS/CFT, тем самым возвращая теорию к ее корням как описанию адронов.

Экзотические частицы, крошечные дополнительные измерения могут ждать открытия

Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Моделирование столкновения частиц внутри Большого адронного коллайдера, крупнейшего в мире ускорителя частиц недалеко от Женевы, Швейцария. Когда два протона сталкиваются внутри машины, они создают энергетический взрыв, который приводит к появлению новых и экзотических частиц.
(Изображение предоставлено ЦЕРН)

ЛОНДОН — Экзотические частицы, которые никогда ранее не обнаруживались, и, возможно, крошечные дополнительные измерения могут ожидать открытия, говорит физик, добавляя, что те, кто ищет такие новички, должны быть непредвзятыми и рассматривать все возможности.

Считается, что такие частицы заполняют пробелы и расширяют господствующую теорию физики элементарных частиц, Стандартную модель, сказал Дэвид Чарльтон из Бирмингемского университета в Соединенном Королевстве, который также является представителем эксперимента ATLAS в мировом масштабе. крупнейший ускоритель частиц, Большой адронный коллайдер (БАК), и один из экспериментов, в ходе которых была обнаружена частица бозона Хиггса, которая, как считается, объясняет, почему другие частицы имеют массу.

Чарльтон обратился к исследователям в прошлом месяце на лекции под названием «До, позади и после открытия бозона Хиггса» здесь, в Королевском обществе. [Помимо Хиггса: 5 неуловимых частиц, которые могут скрываться во Вселенной]

«Вопросы, возникшие в связи с открытием бозона Хиггса, предполагают, что новая физика и новые частицы могут быть под рукой при энергиях, которые сейчас — и скоро — исследуются на БАК», — сказал он. По его словам, такие вопросы включают: почему бозон Хиггса такой легкий; и почему Стандартная модель так трудно объясняет физику, которая возникает при массах выше, чем у бозона Хиггса, если назвать пару.

БАК, расположенный в круглом подземном туннеле длиной 17 миль (27 километров) в ЦЕРНе недалеко от Женевы, Швейцария, сталкивает протоны друг с другом на околосветовой скорости. В результате столкновений высвобождается огромное количество энергии в виде частиц — возможно, новых, экзотических.

В данный момент ускоритель частиц отключен, чтобы можно было сделать апгрейд. Однако в 2015 году он снова начнет охотиться за новыми частицами, сталкивая протоны при максимальной энергии 14 ТэВ, или терра-электрон-вольт.

Какая теория?

Прежде чем разбудить БАК, ученые заняты составлением обширной программы поиска новых частиц, которые могли бы подтвердить то или иное расширение господствующей теории физики элементарных частиц — Стандартной модели.

Поскольку невозможно знать наверняка, какими будут эти гипотетические частицы, исследователи будут изучать многие и разнообразные типы столкновений, «отыскивая различными способами отклонения данных от фоновых ожиданий известных процессов», — сказал Чарльтон. (Физики знают, какие распределения должны возникнуть в результате образования различных известных частиц, поэтому, если они видят отклонение от этих ожиданий, они могут предположить, что обнаружена новая частица.)

Расширение Стандартной модели необходимо, чтобы пролить свет на оставшиеся загадки Вселенной, такие как природа темной материи, неуловимых частиц, которые, как считается, составляют около 85 процентов всей материи во Вселенной.

Многие приветствовали суперсимметрию, теорию, которая постулирует, что каждая известная частица во Вселенной имеет еще не обнаруженную и гораздо более тяжелую сестринскую частицу, как главного кандидата на расширение. Однако неспособность БАК предоставить какие-либо доказательства существования суперсимметричных частиц побудила ряд ученых искать доказательства новой физики в другом месте.

«Суперсимметрия — отличная идея, но на данном этапе нет никаких экспериментальных доказательств», — сказал Чарльтон. «Это всего лишь одна из возможностей для физики за пределами Стандартной модели, и она обладает некоторыми элегантными математическими свойствами, поэтому ей отдают предпочтение. Но есть ряд других моделей, которые также могут помочь объяснить некоторые проблемы, которые мы видим в Стандартная модель».

Одна из популярных альтернатив суперсимметрии предлагает идею дополнительных измерений. [5 причин, по которым мы можем жить в мультивселенной]

Ученые подозревают, что в пространстве и времени существуют дополнительные измерения; эти размеры микроскопичны, говорят сторонники, что затрудняет их обнаружение детекторами. «Но по мере того, как мы приближаемся к очень высоким энергиям с LHC, возможно, мы начнем видеть доказательства существования дополнительных измерений», — сказал Чарльтон. Такие доказательства могут появиться в виде новых частиц или, возможно, недостающей энергии, поскольку некоторые частицы уходят в измерения, отличные от тех, которые люди могут видеть. Такие дополнительные измерения необходимы в теории струн, которая предполагает, что крошечные струны заменяют субатомные частицы.

Другая идея предполагает, что уже обнаруженные частицы на самом деле не являются фундаментальными, а это означает, что они имеют подструктуру, состоящую из еще более мелких частиц. А еще есть теория струн, которая предполагает, что крошечные струны заменяют субатомные частицы.

В поисках «чего-то»

Но физики не должны просто искать доказательства в поддержку той или иной теории, сказал Чарльтон. Скорее, важно «смотреть на каждый редкий процесс, который мы можем, который может быть сигналом для появления какой-то новой физики. Мы должны изучить каждый и посмотреть, согласуется ли он с нашими ожиданиями».

Если БАК не обнаружит никаких признаков новой физики, единственный путь вперед — перейти к более высокоэнергетическим столкновениям и более интенсивным лучам. «Может быть модель, о которой мы еще не думали», — сказал Чарльтон.

И именно эта возможность «чего-то там, о чем исследователи еще не думали и что объяснило бы все тайны», является самой захватывающей, сказал физик Бен Алланах из Кембриджского университета, добавив: «Конечно, если бы я мог подумать об этом, я бы работал над этим».

Чтобы обнаружить это «что-то», физики должны искать высокоэнергетические частицы разными способами и в разных конфигурациях и смотреть, согласуются ли данные с ожиданиями, или есть что-то, что, возможно, не предсказано ни одним из существующих моделей, сказал Чарльтон.

«Мы действительно должны стараться быть как можно более открытыми и стараться не оставлять камня на камне, рассматривая все возможности», — сказал Чарльтон.