Каку М. "Введение в теорию суперструн". Рыбников теория струн
Каку М. "Введение в теорию суперструн"
Название: Введение в теорию суперструнАвтор: Каку МитиоИздательство: Мир, 1999Количество станиц: 626Язык: русский
Единственный русскоязычный текст по теории струн, который с натяжкой можно назвать учебником для студентов. Впрочем, автор книги – американский теоретик японского происхождения Мичио (точнее, Митио) Каку, один из основателей полевой теории струн, – рассматривал свой труд не только как учебник, но и как введение в некоторые актуальные темы исследований. Оригинал этой книги был издан на английском языке еще в 1988 г., а данный перевод появился, когда было подготовлено уже второе издание учебника. Поэтому представленный в книге выбор «продвинутого» материала выглядит сейчас несколько анахроничным. Но обо всем по порядку. Первая, «учебная», часть книги – введение в формализм квантования динамических систем со связями и применение его к бозонным струнам и суперструнам, (супер)конформная теория поля, многопетлевые амплитуды в теории струн и суперструн. Вторая часть посвящена полевой теории струн (здесь текст сильно устарел, в особенности восьмая глава, отражающая результаты авторских изысканий; впрочем, обратите внимание на седьмую главу с виттеновской ковариантной полевой теорией открытых бозонных струн). Наконец, третья часть включает в себя обзор «горячих» на момент публикации книги тем по струнной феноменологии (гетеротические теории струн и их компактификации на пространства Калаби-Яу и орбиобразия, – правильнее, пространства Калаби-Яо и орбифолды) и главу об аномалиях в теории поля и их сокращении в теории суперструн. Почему эта книга – для студентов, хотя в ней нет даже задач, а теоретическим материалом она явно перегружена? Все из-за первой части книги (главы 1-5). Да, для достаточно глубокого и результативного ознакомления с ними недостаточно стандартного студенческого багажа в виде специальной теории относительности, классической теории поля и квантовой механики. Но в книге есть Приложения с краткими введениями в теорию групп, теорию форм, суперсимметрию, общую теорию относительности и теорию супергравитации, а если и этого не хватает, то соответствующий математический аппарат вводится непосредственно в изложении. Вряд ли эта книга подойдет в качестве первого курса по теории струн, из нее можно вынести много ценного, если использовать ее в качестве дополнительного чтения. Кстати, надо отдать должное автору – книга написана ясно, четко и лаконично, а также содержит краткие исторические отступления (Митио Каку известен в США как хороший популяризатор теоретической физики). Минус русскоязычного издания, помимо его запоздалости – низкокачественный перевод, что, впрочем, вы уже успели заметить;-)
stringworld.ru
Теория струн
Содержание страницы:
Изначально определение струн как фундаментальных объектов появилось, чтобы объяснить нюансы строения некоторых элементарных частиц. Позже, в 1970 году, родилась идея, что сталкивающиеся пионы взаимодействуют между собой посредством соединяющей их ничтожно тонкой нити. Так родилась теория струн, представляющая элементарные частицы как вибрирующие на определённых частотах одномерные струны. Струна представляет собой объект, не имеющий толщины, но обладающий длиной. Она определена значением в 10-35 м. Характер колебаний этих струн определяет свойства элементарных частиц, например, заряд.
Обычные масштабы должны сводить 10-мерную теорию струн к достаточно надёжной физике элементарных частиц. Но, как известно, таких способов практически бесконечное количество, причём, каждая полученная четырёхмерная теория подразумевает свой собственный мир. Варианты струнных колебаний определяют свойства частиц, а сами колебания зависимы от геометрии дополнительных измерений.
Бозонная теория струн
Бозонная теория предписывает движение струн в пространстве-времени. Струны, как и говорилось выше, могут вибрировать. Способ вибрации определяет массу частицы и её параметры. В результате получается гамма – спектр масс. Вначале в моделях предлагались открытые струны (обладающие двумя свободными концами), и замкнутые (петлеобразные). Генерация спектров этих типов различна.
Главная проблема бозонной теории – фундаментальная нестабильность, подразумевающая, что произойдёт распад пространства-времени.
М-теория – последнее воплощение теории струн
История теории струн насчитывает две суперструнные революции. Вторая ознаменовалась открытием 11-мерной М-теории. Целью её явилось объединение фундаментальных взаимодействий. Что означает буква «М», не ясно, и физики-теоретики обыгрывают её в разных вариациях – матричная, мембранная и даже – мистическая. М-теория обладает интересным свойством: всё, нами воспринимаемое как координатами струны (время, местоположение), по факту является матрицей – математическим набором. Только при очень удалённом положении струн в пространстве, матрицы могут походить на координаты. Если будет доказана верность этой теории, то она сможет раскрыть природу Мультивселенной и стать основным достижением науки за всю её историю. Теория является новым подходом к ОТО.
М-теория – самая общая симметричная теория гравитации и единственная, способная стать законченной теорией Вселенной.
По сути, она – модель Вселенной, создающей сама себя. Есть два фактора, способных подтвердить теорию:- Суперсимметричные частицы. Используя Большой адронный коллайдер, можно доказать существование суперсимметричных частиц (если они, конечно, существуют). Их обнаружение будет существенным достижением в подтверждении М-теории.
- Поиски отклонений от закона тяготения. Уже проводятся множественные эксперименты по проверке этого закона на очень малых (сотые доли мм) расстояниях. Обнаружении аномалии на сверхмалых расстояниях также будет плюсом в сторону М-теории.
Подтверждение М-теории может стать концом известной физики.
М-теория описывает и иные Вселенные, из её уравнении следует существование огромного числа параллельных миров с другими законами физики и другим числом измерении. В данный момент проверить М-теорию экспериментально нет никаких возможностей, пока она является только красивой математической гипотезой. 2003 год стал новой точкой отсчёта: стало известно, что есть много способов для сведения 10-мерных суперструнных теорий в 4-мерную теорию поля. Любой вариант редукции 10-мерной теории создаёт свой мир, 4-мерный. Он может иметь схожесть с нашим, наблюдаемым, а может иметь отличия от него. Совокупность всех вариантов таких миров, реализованных из суперструнной теории, именуется ландшафтом теории. Рассчитанное (теоретически) число таких вариантов поражает воображение. Их минимум 10100, но, что более вероятно, 10500. А есть мнение, что количество их – бесконечность.Самое интересное предсказание теории струн – многомерность Вселенной.
Эйнштейн оперировал четырёхмерностью, и это согласовывалось с его ОТО. Но для струнных структур измерений требуется гораздо больше, иначе их существование становится проблематичным. Бозонная теория подразумевает необходимость существования 26-мерного пространства, а суперструнным теориям достаточно и десяти — одиннадцати измерений. Но эти измерения, в отличие от четырёх, нам понятных и осязаемых, остаются невидимы.Компактификация
Эта операция преобразования объясняет невидимости дополнительных измерений, замыкая их на себя на таких мизерных расстояниях, что обнаружить их невозможно (в планковских масштабах). Классическим примером для понимания такого утверждения служит поливочный шланг. Рассматривая его издали, видно лишь одно измерение этой вещи – длина, но, оказавшись ближе, открывается, что есть ещё и окружность, толщина. Все дополнительные измерения возможно увидеть только при достаточном приближении. Но поскольку они ничтожно малы, то возможности наблюдать их не существует.
Локализация
В этом случае дополнительные измерения не такие и маленькие, но почему-то все частицы нашей реальности локализовались на поверхности четырёхмерной в многомерной Вселенной. Уйти с этой поверхности они не могут. Такая поверхность (лист) именуется брана, и она – часть наблюдаемой Вселенной. Но и все мы, и то, что нас окружает, составлено из частиц, поэтому нам не удаётся взглянуть вы другие измерения. Только гравитация может поспособствовать увидеть дополнительные измерения. Так как она – следствие искривленного пространства-времени, и не зациклена на бране, то и гравитоны (если они существуют) должны «выходить» в другие измерения. Видимостью этого процесса станет неожиданное пропадание энергии, унесенных такими частицами.
Проблемы теории струн
- Невозможность экспериментального подтверждения. Чтобы проверить и подтвердить какую-либо теорию, необходимо провести эксперимент. Но струнную теорию экспериментально проверить пока нельзя. Невозможность такого эксперимента и в обозримом времени, по причине технологического несовершенства, понижает доверие к теории. Но такое положение дел не может стать основанием, чтобы объявить теорию струн несостоятельной. Нужно развивать и её, и саму экспериментальную науку, чтобы в будущем исследовать пока ещё недоступные величины.
- Проблемы вычислений. Эта трудность математическая: все вычисления в уравнениях теории очень трудо- и ресурсозатратны. Математика еще не совершенна объяснения некоторых аспектов струнных теории, многие направления вычислении только разрабатываются.
- Сверхсложность. Уравнения М-теории невероятно сложны, поэтому учёным приходится работать только с их приближёнными формами. А это не может вести к высокой точности. Иногда ситуация требует изобретения новых математических методов для решения таких уравнений.
- Экспериментальная недостаточность. Масштабы описываемых явлений настолько малы, что нет возможности подтвердить их экспериментальным путём. Чтобы такая возможность представилась, необходим ускоритель, по размерам не уступающий Вселенной.
Чёрные дыры и теория струн
Стромиджер и Вафа, струнные теоретики, с помощью теории струн смогли отыскать микроскопические компоненты чёрных дыр экстремального типа. Учёные предложили конструкцию чёрной дыры в виде механизма, состоящего из конкретного набора бран. Были вычислены количества перестановок микрокомпонентов дыры, оставляющие неизменными основные параметры – заряд и массу. Теория струн смогла проанализировать микрокомпоненты и точно рассчитать энтропию чёрных дыр этого класса.
Обычные масштабы должны сводить 10-мерную теорию струн к достаточно надёжной физике элементарных частиц. Но, как известно, таких способов практически бесконечное количество, причём, каждая полученная четырёхмерная теория подразумевает свой собственный мир. Варианты струнных колебаний определяют свойства частиц, а сами колебания зависимы от геометрии дополнительных измерений. Приближенные уравнения, что существуют сейчас, удовлетворяют и многим другим гипотетически возможным Вселенным со своей геометрией и законами физики. 99% населения земного шара даже приблизительно не могут понять суть этой теории. Некоторые понятия (струны и их колебания, множественность измерений) просто невозможно представить без глубоких познании в точных науках.
light-science.ru
мы живем в Божьей Матрице — Жизнь под Лампой!
Митио Каку – известный физик-теоретик, футурист и автор бестселлеров – разработал теорию, которая доказывает существование Бога с помощью так-называемой Теории Струн.
Теория Струн предполагает, что кажущееся разнообразие элементарных частиц – это в действительности “колебательные состояния”.
Д-р Каку убежден в факте разумного дизайна вселенной, чем весьма раздражает ученое сообщество – ведь он является одним из самых известных, уважаемых физиков мира, соавтором теории струнного поля (одного из направлений в Теории Струн).
“Я пришел к выводу, что все мы в этом мире направляемся законами, правилами, которые, в свою очередь, установил Разум”, – заявил он (источник: Геофилософская Ассоциация антропологических и культурных исследований).
Д-р Каку является одним из продолжателей поиска “Теории Всего”, который начал еще великий Эйнштейн. “Теория Всего” должна объединить четыре фундаментальные силы вселенной: гравитацию, электромагнетизм, “большую силу” и “малую силу”.
По словам Каку, сама цель физики – “найти уравнение, позволяющее объединить все силы природы и читать разум Бога”.
Так как Теория Струн как раз и предлагает унифицированное описание гравитации и физики элементарных частиц, она претендует на статус “Теории Всего”.
К такому выводу (о существовании Разума во вселенной) д-р Каку пришел после эксперимента с “примитивными полурадиусными тахионами” (как он их называет).
Тахион – это частица, которая движется быстрее света. Многие физики, однако, считают, что такой частицы нет в природе, поскольку ее существование противоречит известным законам физики.
Как отмечал еще Эйнштейн и другие ученые, специальная теория относительности означает, что если бы существовали частицы-быстрее-света, их можно было бы использовать для коммуникации в обратном движении времени.
Д-р Каку использовал разработанную в 2005 году технологию, которая позволила ему, опираясь на примитивный тахионный полурадиус, проанализировать поведение материи на субатомном уровне.
После нескольких таких экспериментов, изучая поведение тахионов, физик пришел к выводу, что человечество живет в “матрице” – мире, управляемом законами и принципами, придуманными интеллектом-архитектором.
“Я пришел к выводу, что мы живем в мире, управляемом правилами, которые сотворил Разум, – сказал он. – Это не ваша любимая компьютерная игра, но нечто намного большее, сложное, непостижимое”.
Анализ поведения материи на субатомном уровне при воздействии тахионного полурадиуса показывает полную абсурдность понятия “случайность”. Ведь мы живем в мире, который управляется стабильными законами и не детерминирован какой-либо космической случайностью.
“Это означает, – отметил Каку, – что во вселенной, по всей вероятности, существует неизвестная нам сила! Однако эта “неизвестная сила”, которая стала всему причиной, дала всему существование и все содержит в целостности, – есть ни что иное, как личность Иисуса Христа, во что верят все христиане.
Как понимает д-р Каку, вся Вселенная представляет собой симфонию вибрирующих струн, исходящих из разума Самого Бога. И эта космическая музыка резонирует в 11 измерениях гиперпространства.
Этот американский физик японского происхождения заявил: “Физики – единственные ученые, которые могут, не краснея, произносить слово “Бог””.
“Для меня совершенно очевидно, что мы существуем в рамках единого плана, управляемого правилами, которые сотворены и сформированы универсальным Разумом, а не появились случайно”.
Источник: psifactor.info
Понравилась статья? Поделитесь с друзьями на Facebook:
lamp.im
Теория струн | Горизонт
Ключевые вопросы:
Каковы фундаментальные компоненты Вселенной -«первокирпичики материи»? Существуют ли теории, способные объяснить все основные физические явления?
Вопрос: это реально?
На сегодняшний день и в обозримом будущем, непосредственное наблюдение в столь малых масштабах не представляется возможным. Физика находится в поиске, и проводимые эксперименты, например, по обнаружению суперсимметричных частиц или поиску дополнительных измерений на ускорителях могут указать, что теория струн находится на верном пути.
Голос за кадром
Является теория струн теорией всего, или нет, она дает нам в руки уникальный набор инструментов, позволяющий заглянуть в глубинные структуры реальности.
Теория струн
Макро и микро
При описании Вселенной, физика делит ее на две, казалось-бы, несовместимых половинки - квантовый микромир, и макромир, в рамках которого описывается гравитация.
Теория струн это противоречивая попытка объединения этих половинок в «Теорию всего».
Частицы и взаимодействия
Мир сделан из двух видов элементарных частиц — фермионов и бозонов. Фермионы это всё наблюдаемое вещество, а бозоны являются переносчиками четырех известных фундаментальных взаимодействий: слабого, электромагнитного, сильного и гравитационного. В рамках теории, называемой «Стандартно моделью», физикам удалось изящно описать и проверить три фундаментальных взаимодействи все, кроме самого слабого - гравитационного. Hа сегодняшний день Стандартная модель является наиболее точной и экспериментально подтвержденной моделью нашего мира.
Зачем нужна теория струн
Стандартная модель не включает гравитацию, не может описать центр черной дыры и Большой взрыв, не объясняет результаты некоторых экспериментов. Теория струн - это попытка разрешить эти проблемы и унифицировать материю и взаимодействия, заменив элементарные частицы крошечными вибрирующими струнами.
В основе теории струн лежит идея, что все элементарные частицы можно представить в виде одного элементарного «первокирпичика» - струны. Струны могут вибрировать, и разные моды таких колебании на большом удалении будут выглядеть для нас как различные элементарные частицы. Одна мода вибрации заставит струну выглядеть как фотон, другая - как электрон.
Существует даже мода, описывающая переносчик гра в ита цио н но го взаимодействия - гравитон! Варианты теории струн описывают струны двух видов: открытые (1) и замкнутые (2). Открытые струны имеют два конца (3), расположенных на мембрано-подобных структурах, называемых D-бранами, и их динамикой описываются три из четырех фундаментальных взаимодействии - все, за исключением гравитационного .
Замкнутые струны напоминают петли, они не привязаны к D- бранам - именно колебательные моды замкнутых струн представляются безмассовым гравитоном. Концы открытой струны могут соединяться, образуя замкнутую струну, которая, в свою очередь, может разрываться, превратившись в открытую, или сойтись и расщепиться на две замкнутые струны (5) - таким образом в теории струн гравитационное взаимодействие объединяется со всеми остальными
Струны - самые маленькие из всех объектов, которыми оперирует физика. Диапазон размеров V объектов, представленных на картинке выше, простирается на 34 порядка - если бы атом был размером с солнечную систему, то размер струны мог бы быть чуть больше атомного ядра.
Дополнительные измерения
Непротиворечивые теории струн возможны лишь в пространстве высшей размерности, где в дополнение к знакомым нам 4м пространственно-временным измерениям требуется 6 дополнительных. Теоретики полагают, что эти дополнительные измерения свернуты в неуловимо малые формы -пространства Калаби-Яу. Одной из проблем теории струн является то, что существует почти бесконечное количество вариантов свертки ( ком пактификации) Калаби-Яу, позволяющее описать какой угодно мир, и пока нет никакой возможности найти тот вариант ко м па ктифи ка ци и, который бы позволял описать то, что мы видим вокруг.
Суперсимметрия
Большинство версий теории струн требует понятия суперсимметрии, в основе которого лежит идея о том, что фермионы (вещество) и бозоны ( взаимодействия) суть есть проявления одного и того-же объекта, и могут превращаться друг в друга.
Теория всего?
Суперсимметрию в теорию струн можно включить 5ю различными способами, что приводит к 5 различным видам теории струн, из чего следует, что сама по себе теория струн не может претендовать на звание «теории всего». Все эти пять видов связаны между собой математическими преобразованиями, называемыми дуальностями, и это привело к пониманию, что все эти виды являются аспектами чего-то более общего. Эту более общую теорию называют М-Теорией.
Известно 5 различных формулировок теории струн, однако при ближайшем рассмотрении, выясняется что все они являются проявлениями более общей теории
Источник: http://masterok.livejournal.com/
www.rgo-sib.ru
Теория струн -струны во всей вселенной
Теория струн выглядит настолько дико, что, вполне возможно, она правильна!
Различные версии теории струн сегодня рассматриваются в качестве главных претендентов на звание всеобъемлющей универсальной теории, объясняющей природу всего сущего. А это — своего рода Священный Грааль физиков-теоретиков, занимающихся теорией элементарных частиц и космологии. Универсальная теория (она же теория всего сущего) содержит всего несколько уравнений, которые объединяют в себе всю совокупность человеческих знаний о характере взаимодействий и свойствах фундаментальных элементов материи, из которых построена Вселенная.
Сегодня теорию струн удалось объединить с концепцией суперсимметрии, в результате чего родилась теория суперструн, и на сегодняшний день это максимум того, что удалось добиться в плане объединения теории всех четырех основных взаимодействий (действующих в природе сил). Сама по себе теория суперсимметрии уже построена на основе априорной современной концепции, согласно которой любое дистанционное (полевое) взаимодействие обусловлено обменом частицами-носителями взаимодействия соответствующего рода между взаимодействующими частицами (см. Стандартная модель). Для наглядности взаимодействующие частицы можно считать «кирпичиками» мироздания, а частицы-носители — цементом.
Теория струн — направление математической физики, изучающее динамику не точечных частиц, как большинство разделов физики, а одномерных протяжённых объектов, т.е. струн.В рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли носителей взаимодействия — калибровочные бозоны, которыми эти кварки обмениваются между собой. Теория же суперсимметрии идет еще дальше и утверждает, что и сами кварки и лептоны не фундаментальны: все они состоят из еще более тяжелых и не открытых экспериментально структур (кирпичиков) материи, скрепленных еще более прочным «цементом» сверхэнергетичных частиц-носителей взаимодействий, нежели кварки в составе адронов и бозонов.
Естественно, в лабораторных условиях ни одно из предсказаний теории суперсимметрии до сих пор не проверено, однако гипотетические скрытые компоненты материального мира уже имеют названия — например, сэлектрон (суперсимметричный напарник электрона), скварк и т. д. Существование этих частиц, однако, теориями такого рода предсказывается однозначно.
Картину Вселенной, предлагаемую этими теориями, однако, достаточно легко представить себе наглядно. В масштабах порядка 10Е–35 м, то есть на 20 порядков меньше диаметра того же протона, в состав которого входят три связанных кварка, структура материи отличается от привычной нам даже на уровне элементарных частиц. На столь малых расстояниях (и при столь высоких энергиях взаимодействий, что это и представить немыслимо) материя превращается в серию полевых стоячих волн, подобных тем, что возбуждаются в струнах музыкальных инструментов. Подобно гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо основного тона, множество обертонов или гармоник. Каждой гармонике соответствует собственное энергетическое состояние. Согласно принципу относительности (см. Теория относительности), энергия и масса эквивалентны, а значит, чем выше частота гармонической волновой вибрации струны, тем выше его энергия, и тем выше масса наблюдаемой частицы.
Однако, если стоячую волну в гитарной струне представить себе наглядно достаточно просто, стоячие волны, предлагаемые теорией суперструн наглядному представлению поддаются с трудом — дело в том, что колебания суперструн происходят в пространстве, имеющем 11 измерений. Мы привыкли к четырехмерному пространству, которое содержит три пространственных и одно временное измерение (влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад, прошлое-будущее). В пространстве суперструн всё обстоит гораздо сложнее (см. вставку). Физики-теоретики обходят скользкую проблему «лишних» пространственных измерений, утверждая, что они «скрадываются» (или, научным языком выражаясь, «компактифицируются») и потому не наблюдаются при обычных энергиях.
Совсем уже недавно теория струн получила дальнейшее развитие в виде теории многомерных мембран — по сути, это те же струны, но плоские. Как походя пошутил кто-то из ее авторов, мембраны отличаются от струн примерно тем же, чем лапша отличается от вермишели.
Вот, пожалуй, и всё, что можно вкратце рассказать об одной из теорий, не без основания претендующих на сегодняшний день на звание универсальной теории Великого объединения всех силовых взаимодействий. Увы, и эта теория небезгрешна. Прежде всего, она до сих пор не приведена к строгому математическому виду по причине недостаточности математического аппарата для ее приведения в строгое внутреннее соответствие. Прошло уже 20 лет, как эта теория появилась на свет, а непротиворечиво согласовать одни ее аспекты и версии с другими так никому и не удалось. Еще неприятнее то, что никто из теоретиков, предлагающих теорию струн (и, тем более суперструн) до сих пор не предложил ни одного опыта, на котором эти теории можно было бы проверить лабораторно. Увы, боюсь, что до тех пор, пока они этого не сделают, вся их работа так и останется причудливой игрой фантазии и упражнениями в постижении эзотерических знаний за пределами основного русла естествознания.
Изучение свойств чёрных дыр
В 1996 г. струнные теоретики Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа, опираясь на более ранние результаты Сасскинда и Сена, опубликовали работу «Микроскопическая природа энтропии Бекенштейна и Хокинга». В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определенного класса чёрных дыр, а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию. Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений, которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого.
Реальным процессам образования чёрных дыр Строминджер и Вафа противопоставили конструктивный подход. Они изменили точку зрения на образование чёрных дыр, показав, что их можно конструировать путем кропотливой сборки в один механизм точного набора бран, открытых во время второй суперструнной революции.
Имея в руках все рычаги управления микроскопической конструкцией чёрной дыры, Строминджер и Вафа смогли вычислить число перестановок микроскопических компонентов чёрной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, например масса и заряд, остаются неизменными. После этого они сравнили полученное число с площадью горизонта событий чёрной дыры — энтропией, предсказанной Бекенштейном и Хокингом, — и получили идеальное согласие. По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии. Проблема, стоявшая перед физиками в течение четверти века, была решена.
Для многих теоретиков это открытие было важным и убедительным аргументом в поддержку теории струн. Разработка теории струн до сих пор остается слишком грубой для прямого и точного сравнения с экспериментальными результатами, например, с результатами измерений масс кварка или электрона. Теория струн, тем не менее, дает первое фундаментальное обоснование давно открытого свойства чёрных дыр, невозможность объяснения которого многие годы тормозила исследования физиков, работавших с традиционными теориями. Даже Шелдон Глэшоу, Нобелевский лауреат по физике и убеждённый противник теории струн в 1980-е гг., признался в интервью в 1997 г., что «когда струнные теоретики говорят о чёрных дырах, речь идёт едва ли не о наблюдаемых явлениях, и это впечатляет».
Струнная космология
Существует три основных пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель. Во-первых, в духе современных исследований, всё более проясняющих ситуацию, из теории струн следует, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер. Этот вывод меняет представление о структуре Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва, для которого в стандартной модели получается нулевой размер Вселенной. Во-вторых, понятие T-дуальности, то есть дуальности малых и больших радиусов (в его тесной связи с существованием минимального размера) в теории струн, имеет значение и в космологии. В-третьих, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырёх, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений.
Модель Бранденберга и Вафы
В конце 1980-х гг. Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа сделали первые важные шаги к пониманию того, к каким изменениям в следствиях из стандартной космологической модели приведет использование теории струн. Они пришли к двум важным выводам. Во-первых, по мере движения назад к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до момента, когда размеры Вселенной по всем направлениям сравняются с планковской длиной. В этот момент температура достигнет максимума и начнёт уменьшаться. На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления. Предположим для простоты (следуя Бранденбергеру и Вафе), что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. Из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. Поскольку температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению роста температуры и её дальнейшему снижению.
В результате Бранденбергер и Вафа пришли к следующей космологической картине: сначала все пространственные измерения в теории струн плотно свернуты до минимальных размеров порядка планковской длины. Температура и энергия высоки, но не бесконечны: парадоксы начальной точки нулевого размера в теории струн решены. В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения теории струн совершенно равноправны и полностью симметричны: все они свернуты в многомерный комок планковских размеров. Далее, согласно Бранденбергеру и Вафе, Вселенная проходит первую стадию понижения симметрии, когда в планковский момент времени три пространственных измерения отбираются для последующего расширения, а остальные сохраняют исходный планковский размер. Затем эти три измерения отождествляются с измерениями в сценарии инфляционной космологии и в процессе эволюции принимают наблюдаемую теперь форму.
Модель Венециано и Гасперини
После работы Бранденбергера и Вафы физики непрерывно продвигаются вперёд к пониманию струнной космологии. В числе тех, кто идет во главе этих исследований — Габриэле Венециано и его коллега Маурицио Гасперини из Туринского университета. Эти учёные представили свой вариант струнной космологии, который в ряде мест соприкасается с описанным выше сценарием, но в других местах принципиально отличается от него. Как Бранденбергер и Вафа, для исключения бесконечной температуры и плотности энергии, которые возникают в стандартной и инфляционной модели, они опирались на существование минимальной длины в теории струн. Однако вместо вывода о том, что в силу этого свойства Вселенная рождается из комка планковских размеров, Гасперини и Венециано предположили, что существовала доисторическая вселенная, возникшая задолго до момента, который называется нулевой точкой, и породившая этот космический «эмбрион» планковских размеров.
Исходное состояние Вселенной в таком сценарии и в модели Большого взрыва очень сильно различаются. Согласно Гасперини и Венециано, Вселенная не являлась раскаленным и плотно скрученным клубком измерений, а была холодной и имела бесконечную протяженность. Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все её точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны.
Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось всё более искривлённым и в результате произошел резкий скачок температуры и плотности энергии. Прошло немного времени, и трёхмерная область миллиметровых размеров внутри этих бескрайних просторов преобразилась в раскалённое и плотное пятно, тождественное пятну, которое образуется при инфляционном расширении по Гуту. Затем все пошло по стандартному сценарию космологии Большого взрыва, и расширяющееся пятно превратилось в наблюдаемую Вселенную.
Поскольку в эпоху до Большого взрыва происходило своё инфляционное расширение, решение парадокса горизонта, предложенное Гутом, оказывается автоматически встроенным в этот космологический сценарий. По выражению Венециано (в интервью 1998 г.), «теория струн преподносит нам как на блюдечке вариант инфляционной космологии».
Изучение струнной космологии быстро становится областью активных и продуктивных исследований. Например, сценарий эволюции до Большого взрыва уже не раз был поводом горячих споров, а его место в будущей космологической формулировке далеко не очевидно. Однако нет сомнений, что эта космологическая формулировка будет твёрдо опираться на понимание физиками результатов, открытых во время второй суперструнной революции. Например, до сих пор не ясны космологические следствия существования многомерных мембран. Иными словами, как изменитcя представление о первых моментах существования Вселенной в результате анализа законченной М-теории? Этот вопрос интенсивно исследуется.
Похожее
xn--e1adcaacuhnujm.xn--p1ai
Теория струн для чайников - коротко о главном
Теория струн
Теория относительности представляет Вселенную «плоской», но квантовая механика утверждает, что на микроуровне происходит бесконечное движение, искривляющее пространство. Теория струн объединяет эти идеи и представляет микрочастицы как следствие объединения тончайших одномерных струн, которые будут иметь вид точечных микрочастиц, следовательно, не могут наблюдаться экспериментально.
Самая обыкновенная профанация…
Данная гипотеза позволяет представить элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами.
Материалы по теме
Все свойства элементарных частиц объясняются резонансным колебанием волокон, их образующих. Эти волокна могут совершать бесконечное множество вариантов вибраций. Данная теория предполагает объединение идей квантовой механики и теории относительности. Но из-за наличия множества проблем в подтверждении мыслей заложенных в ее основе большая часть современных ученых считают, что предложенные идеи не более чем самая обыкновенная профанация или другими словами — теория струн для чайников, то есть для людей, которые совершенно не разбираются в науке и строении окружающего мира.
Свойства ультрамикроскопических волокон
Чтобы понять их суть, можно представить струны музыкальных инструментов – они могут вибрировать, изгибаться, сворачиваться. Тоже происходит и с этими нитями, которые издавая определенные вибрации, взаимодействуют друг с другом, сворачиваются в петли и образуют более крупные частицы (электроны, кварки), масса которых зависит от частоты вибрации волокон и их натянутости – эти показатели определяют энергию струн. Чем больше излучаемая энергия, тем выше масса элементарной частицы.
Инфляционная теория и струны
Теория эволюции крупномасштабных структур
Согласно инфляционной гипотезе, Вселенная была создана благодаря расширению микро пространства, размером в струну (длина Планка). По мере увеличения этой области растягивались и так называемые ультрамикроскопические волокна, теперь их длина соизмерима с размерами Вселенной. Они точно так же взаимодействуют между собой и производят те же вибрации и колебания. Выглядит это как производимый ими эффект гравитационных линз, искажающих лучи света дальних галактик. А продольные колебания порождают гравитационное излучение.
Математическая несостоятельность и другие проблемы
Одной из проблем считается математическая несостоятельность теории — физикам, изучающим ее, не хватает формул для приведения ее в завершенный вид. А вторая заключается в том, что данная теория полагает, о существовании 10 измерений, но мы ощущаем всего 4 – высота, ширина, длина и время. Ученые предполагают, что остальные 6 — в скрученном состоянии, наличие которых не ощущается в реальном времени. Также проблемой является не возможность экспериментального подтверждения этой теории, но и опровергнуть ее никто не может.
Популярно о теории струн
comments powered by HyperComments
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Просмотров записи: 11444
spacegid.com
Теория струн для "чайников" - Мастерок.жж.рф
Продолжаю публиковать темы февральского стола заказов. Это уже четвертая по счету тема. Просьба добровольцам тоже не забывать, какие темы они высказали желание осветить или может кто-то только сейчас выбрал какую то тему из списка. С меня репост и продвижение по соцсетям. А теперь наша тема: «теория струн»
Вы, наверное, слышали о том, что самая популярная научная теория нашего времени — теория струн, — подразумевает существование гораздо большего количества измерений, чем подсказывает нам здравый смысл.
Самая большая проблема у теоретических физиков — как объединить все фундаментальные взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное) в единую теорию. Теория суперструн как раз претендует на роль Теории Всего.
Но оказалось, что самое удобное количество измерений, необходимое для работы этой теории — целых десять (девять из которых — пространственные, и одно — временное)! Если измерений больше или меньше, математические уравнения дают иррациональные результаты, уходящие в бесконечность — сингулярность.
Следующий этап развития теории суперструн — М-теория — насчитала уже одиннадцать размерностей. А ещё один её вариант — F-теория — все двенадцать. И это вовсе не усложнение. F-теория описывает 12-мерное пространство более простыми уравнениями, чем М-теория — 11-мерное.
Конечно, теоретическая физика не зря называется теоретической. Все её достижения существуют пока что только на бумаге. Так, чтобы объяснить почему же мы можем перемещаться только в трёхмерном пространстве, учёные заговорили о том, как несчастным остальным измерениям пришлось скукожиться в компактные сферы на квантовом уровне. Если быть точными, то не в сферы, а в пространства Калаби-Яу.
Это такие трёхмерные фигурки, внутри которых свой собственный мир с собственной размерностью. Двухмерная проекция подобный многообразий выглядит приблизительно так:
Таких фигурок известно более 470 миллионов. Которая из них соответствует нашей действительности, в данный момент вычисляется. Нелегко это — быть теоретическим физиком.
Да, это кажется немного притянутым за уши. Но может, именно этим и объясняется, почему квантовый мир так отличается от воспринимаемого нами.
Давайте немного окунемся в историю
В 1968 г. молодой физик-теоретик Габриэле Венециано корпел над осмыслением многочисленных экспериментально наблюдаемых характеристик сильного ядерного взаимодействия. Венециано, который в то время работал в ЦЕРНе, Европейской ускорительной лаборатории, находящейся в Женеве (Швейцария), трудился над этой проблемой в течение нескольких лет, пока однажды его не осенила блестящая догадка. К большому своему удивлению он понял, что экзотическая математическая формула, придуманная примерно за двести лет до этого знаменитым швейцарским математиком Леонардом Эйлером в чисто математических целях – так называемая бета-функция Эйлера, – похоже, способна описать одним махом все многочисленные свойства частиц, участвующих в сильном ядерном взаимодействии.
Подмеченное Венециано свойство давало мощное математическое описание многим особенностям сильного взаимодействия; оно вызвало шквал работ, в которых бета-функция и ее различные обобщения использовались для описания огромных массивов данных, накопленных при изучении столкновений частиц по всему миру. Однако в определенном смысле наблюдение Венециано было неполным. Подобно зазубренной наизусть формуле, используемой студентом, который не понимает ее смысла или значения, бета-функция Эйлера работала, но никто не понимал почему. Это была формула, которая требовала объяснения.
Габриеле Венециано (Gabriele Veneziano)
Положение дел изменилось в 1970 г., когда Йохиро Намбу из Чикагского университета, Хольгер Нильсен из института Нильса Бора и Леонард Сасскинд из Станфордского университета смогли выявить физический смысл, скрывавшийся за формулой Эйлера. Эти физики показали, что при представлении элементарных частиц маленькими колеблющимися одномерными струнами сильное взаимодействие этих частиц в точности описывается с помощью функции Эйлера. Если отрезки струн являются достаточно малыми, рассуждали эти исследователи, они по-прежнему будут выглядеть как точечные частицы, и, следовательно, не будут противоречить результатам экспериментальных наблюдений. Хотя эта теория была простой и интуитивно привлекательной, вскоре было показано, что описание сильного взаимодействия с помощью струн содержит изъяны. В начале 1970-х гг. специалисты по физике высоких энергий смогли глубже заглянуть в субатомный мир и показали, что ряд предсказаний модели, основанной на использовании струн, находится в прямом противоречии с результатами наблюдений. В то же время параллельно шло развитие квантово-полевой теории – квантовой хромодинамики, – в которой использовалась точечная модель частиц. Успехи этой теории в описании сильного взаимодействия привели к отказу от теории струн.
Большинство специалистов по физике элементарных частиц полагали, что теория струн навсегда отправлена в мусорный ящик, однако ряд исследователей сохранили ей верность. Шварц, например, ощущал, что «математическая структура теории струн столь прекрасна и имеет столько поразительных свойств, что, несомненно, должна указывать на что-то более глубокое»2). Одна из проблем, с которыми физики сталкивались в теории струн, состояла в том, что она, как казалось, предоставляла слишком богатый выбор, что сбивало с толку.Некоторые конфигурации колеблющихся струн в этой теории имели свойства, которые напоминали свойства глюонов, что давало основание действительно считать ее теорией сильного взаимодействия. Однако помимо этого в ней содержались дополнительные частицы-переносчики взаимодействия, не имевшие никакого отношения к экспериментальным проявлениям сильного взаимодействия. В 1974 г. Шварц и Джоэль Шерк из французской Высшей технической школы сделали смелое предположение, которое превратило этот кажущийся недостаток в достоинство. Изучив странные моды колебаний струн, напоминающие частицы-переносчики, они поняли, что эти свойства удивительно точно совпадают с предполагаемыми свойствами гипотетической частицы-переносчика гравитационного взаимодействия – гравитона. Хотя эти «мельчайшие частицы» гравитационного взаимодействия до сих пор так и не удалось обнаружить, теоретики могут уверенно предсказать некоторые фундаментальные свойства, которыми должны обладать эти частицы. Шерк и Шварц обнаружили, что эти характеристики в точности реализуются для некоторых мод колебаний. Основываясь на этом, они предположили, что первое пришествие теории струн закончилось неудачей из-за того, что физики чрезмерно сузили область ее применения. Шерк и Шварц объявили, что теория струн – это не просто теория сильного взаимодействия, это квантовая теория, которая, помимо всего прочего, включает гравитацию).
Так было до 1984 г. В своей статье, сыгравшей поворотную роль и подытожившей более чем десятилетние интенсивные исследования, которые по большей части были проигнорированы или отвергнуты большинством физиков, Грин и Шварц установили, что незначительное противоречие с квантовой теорией, которым страдала теория струн, может быть разрешено. Более того, они показали, что полученная в результате теория обладает достаточной широтой, чтобы охватить все четыре вида взаимодействий и все виды материи. Весть об этом результате распространилась по всему физическому сообществу: сотни специалистов по физике элементарных частиц прекращали работу над своими проектами, чтобы принять участие в штурме, который казался последней теоретической битвой в многовековом наступлении на глубочайшие основы мироздания.
Весть об успехе Грина и Шварца, в конце концов, дошла даже до аспирантов первого года обучения, и на смену прежнему унынию пришло возбуждающее ощущение причастности к поворотному моменту в истории физики. Многие из нас засиживались глубоко за полночь, штудируя увесистые фолианты по теоретической физике и абстрактной математике, знание которых необходимо для понимания теории струн.
Если верить учёным, то мы сами и всё вокруг нас состоит из бесконечного множества вот таких загадочных свернутых микрообъектов.
Период с 1984 по 1986 гг. теперь известен как «первая революция в теории суперструн». В течение этого периода физиками всего мира было написано более тысячи статей по теории струн. Эти работы окончательно продемонстрировали, что многочисленные свойства стандартной модели, открытые в течение десятилетий кропотливых исследований, естественным образом вытекают из величественной системы теории струн. Как заметил Майкл Грин, «момент, когда вы знакомитесь с теорией струн и осознаете, что почти все основные достижения физики последнего столетия следуют – и следуют с такой элегантностью – из столь простой отправной точки, ясно демонстрирует вам всю невероятную мощь этой теории»5. Более того, для многих из этих свойств, как мы увидим ниже, теория струн д
masterok.livejournal.com
