Струнная теория: Теория струн для чайников — Naked Science

Теория струн простыми словами — Телеканал «Наука»

Срочная новость

Названы лучшие работы конкурса «Снимай науку!»

Названы лучшие работы конкурса «Снимай науку!»

Если вы думаете, что речь идет о музыке, то спрячьте гитару: теория струн — неразгаданная часть физики XXI, а то и XX века!

Ученые давно ищут «теорию всего», которая сможет объяснить странности, происходящие во Вселенной. Теория струн — одна из самых удачных таких попыток.

Понимаем, что вам хочется сразу получить формулировку и пойти дальше. Именно с этим запросом приходят большинство читателей, набравших в поисковике запрос: «теория струн попроще». Но, к сожалению, это довольно сложная концепция физиков-теоретиков и математиков, которую они и сами не понимают в полной мере. Одним предложением тут точно не отделаться. Разве что объяснить вам, что многообразные элементарные частицы, из которых состоит наш мир, на самом деле не точки или шарики, а тончайшие струны, колеблющиеся на разных частотах. Но это слишком упрощенно, поэтому будем рассказывать так, как полагается каналу «Наука». Приготовьте вашу голову!

История озарения

В 1960-е годы молодой итальянец Габриеле Венециано, работающий физиком-теоретиком в ЦЕРН в Женеве, искал способ объяснить сильное ядерное взаимодействие андронов (тогда об андронах знали гораздо меньше, ведь Большой адронный коллайдер еще не изобрели). В какой-то момент случилось озарение: ученый вдруг понял, что для объяснения наблюдаемых процессов подходит так называемая бета-функция — математическая формула, придуманная еще в 1730 году Леонардом Эйлером, швейцарским математиком, который полжизни прожил в России. Вскоре обнаружилось, что эта формула позволяет описать огромное количество данных, накопленных при изучении особенностей сильного взаимодействия. «Бинго!» — подумал Венециано и поделился открытием с миром ученых.

Это был лишь первый кусочек пазла, который еще предстояло сложить другим. Физики Йохиро Намбу, Холгер Нильсен и Леонард Сасскинд размышляли: почему старинная формула так легко подошла и какой физический смысл таится в этой сложной математике? К 1970 году им стало ясно, что сильное взаимодействие элементарных частиц превосходно описывается с помощью бета-функции Эйлера, если представлять их в виде крошечных колеблющихся одномерных струн. Эти невидимые человеческому глазу нити ученые воображали как замкнутые — в виде колец — и как открытые. Было решено, что длина струн настолько мала, что их с натяжкой можно рассматривать как точки, а значит, для фундаментальной физики ничего не изменилось.

Так возникло понятие «квантовая струна» — под ним подразумевается бесконечно тонкие одномерные объекты длиной в 10–35 м, колебания которых воспроизводят все многообразие элементарных частиц. Это была настоящая революция в мире физики, так как все ранее открытые «ингредиенты Вселенной» (электроны, протоны, нейтроны и пр.) теперь предлагалось свести к единой материи: к струнам, поведение которых легко описывается формулой E = mc2, где Е — энергия, m — масса, с — скорость света в вакууме.

Струны более массивных частиц совершают более интенсивные колебания, а струны более легких частиц колеблются менее интенсивно. В конечном итоге колебания на определенной частоте определяют свойства струн: массу и электрический заряд, что позволяет отнести их к определенной разновидности фундаментальных частиц, будь то кварк, фотон, глюон и др.

Уровни строения мира. 1. Макроскопический — вещество. 2. Молекулярный. 3. Атомный — протоны, нейтроны и электроны. 4. Субатомный — электрон. 5. Субатомный — кварки. 6. Струнный

От пяти теорий к одной

Теория струн оказалась крепким орешком даже для самых высоколобых ученых. Как сказал один из ее основоположников, итальянский физик Даниэль Амати: «Это часть физики XXI века, которая случайно попала в XX век». «А для решения этой задачи нужна математика XXII века», — шутят ученые в наши дни.

В 1970-е и 1980-е теория струн была очень популярна. За нее брались разные ученые, и в результате родилось несколько разновидностей. Одни авторы придумали гипотетическую частицу — тахион, которая якобы двигается в вакууме быстрее скорости света. Другие изобрели суперсимметрию, предположив, что у всех известных элементарных частиц есть суперпартнеры, что фермионы и бозоны в природе связаны. Третьи попытались гипотетически подсчитать, сколько измерений может быть у Вселенной и как они могут быть свернуты. Дело в том, что теория струн сама по себе требует, чтобы Вселенная, кроме трех привычных пространственных измерений и одного временного, имела еще как минимум шесть. Поэтому во многих вариантах фигурировало десять измерений, а потом пришлось ввести еще одно, чтобы объединить все пять теорий струн в единую М-теорию, где заглавная М означает «мистическая, материнская, мембранная, матричная». Сделал это обобщение американский физик-теоретик Эдвард Виттен. Он, к слову, до сих пор жив и здоров, как и начавший собирать этот научный пазл Габриеле Венециано.

«Теория струн не похожа ни на что другое, когда-либо открытое. Это невероятное разнообразие идей о математике и физике, — восторженно пишет о своем детище Эдвард Виттен. — Теория струн обладает замечательным свойством: она предсказывает гравитацию».

Гравитация, о которой догадался еще Ньютон, никак не укладывалась в стандартную модель физики. Разбирая мир до микрочастиц, ученым приходилось делать вид, будто нет никакой силы притяжения между звездами, галактиками, планетами и Солнцем. Теория струн стала вмиг популярна, потому что она выступила объединяющим мостиком между квантовой механикой и общей теорией относительности, которые имели противоречия и никак не могли ужиться друг с другом. Объяснить все и сразу — это была давняя мечта Эйнштейна и многих других ученых, осознававших, что существующие теории не решают всех загадок макро- и микромира. Некоторые даже думали, что все законы физики возможно объяснить одним уравнением — осталось лишь догадаться, что это за формула. Почти приблизились к этому Джоэль Шерк и Джон Шварц. Позже они с обидой говорили, что теория струн изначально потерпела неудачу потому, что физики недооценили ее масштаб.

Игры нашего разума

Какая польза от этих знаний, спросите вы? Ну, во-первых, она раздвигает границы воображения. Люди задумались над тем, что мир может быть устроен совсем не так, как кажется: возможно, Вселенная суперсимметрична и имеет 11 измерений. Не исключено, что есть частицы, которые еще не открыты и мы о них не догадываемся.

Теория струн — это лишь теоретическая физика, отталкивающаяся от математических расчетов и родившаяся из любопытства ученых, любящих задавать вопрос «А что, если?..» Проверить ее эмпирическим путем до сих пор не удается — для этого следовало бы построить огромный ускоритель размером с галактику. Несколько досадных нестыковок и противоречий мешают ее сторонникам спать по ночам и восклицать на публику: «Осанна! Мы наконец-то объяснили все!» Если бы концепция струн сработала, физики-теоретики имели бы полное право покинуть свои пыльные кабинеты и оставить профессию за ненадобностью.

Текст: Евгения Шмелева

На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации

Расскажите друзьям

    • Красивое

    Солнечная буря проделала дыру в магнитосфере Земли, вызвав крайне редкое розовое сияние

    • Съедобное / Несъедобное
    • Устройство человека

    Исследование: кетодиета может перепрограммировать иммунные клетки

    • Живое
    • Эволюция сегодня

    Открытие: при недостатке еды дрожжи убивают другие микроорганизмы, включая братьев

    • Будущее уже здесь

    Создан вибробудильник, который будит своего владельца деликатно, бережно и бесшумно

    • Раскопки

    Под древним египетским храмом найден тоннель, который может вести к гробнице Клеопатры

  • Science X

    Инженеры научили предметы левитировать с помощью звуковых волн

  • Shutterstock

    Ученые: неизвестные бактерии из тающих ледников могут представлять опасность

  • Вранье: как его распознать — и надо ли? 

  • Shutterstock

    Исследование: вегетарианцы чаще впадают в депрессию, чем мясоеды

  • Shutterstock

    Ученые рассказали, как сварить идеальный кофе

Хотите быть в курсе последних событий в науке?

Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку

Ваш e-mail

Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Струнная теория поля.

Гиперпространство

Струнная теория поля

Со времен новаторского труда Фарадея все физические теории записывались в виде полей. На теории поля основана максвелловская теория света, как и теория Эйнштейна. По сути дела, вся физика частиц опирается на теорию поля. Не основана на ней только теория струн. Программа КСВ представляла собой скорее список удобных правил, нежели теорию поля.

Моей следующей задачей было исправить это положение. Однако проблемой струнной теории поля оставалось ее неприятие многими видными учеными. Их доводы выглядели просто. Такие титаны физики, как Хидеки Юкава и Вернер Гейзенберг, долгие годы разрабатывали теорию поля, не опирающуюся на точечные частицы. Они считали элементарные частицы скорее пульсирующими сгустками материи, чем точками. Но, несмотря на все их старания, теории поля, основанные на идее сгустков, неизменно противоречили принципу причинности.

Если вызвать колебания сгустка в одной точке, взаимодействия распространятся быстрее скорости света, проникающего сквозь сгусток, что противоречит специальной теории относительности и создает всевозможные временные парадоксы. Таким образом, «нелокальные теории поля», основанные на идее сгустков, считались непосильной задачей. Многие физики утверждали, что лишь локальная теория поля, построеннная на концепции точечных частиц, может быть последовательной. А нелокальные теории поля неизбежно противоречат теории относительности.


Второй довод выглядел еще убедительнее. Модель Венециано обладала множеством чудесных свойств (в том числе так называемой дуальностью), прежде никогда не виданных в теории поля. Несколькими годами ранее Ричард Фейнман изложил «правила», которым должна подчиняться любая теория поля. Однако правила Фейнмана представляли собой прямое нарушение принципа дуальности. В итоге многие специалисты по теории струн пришли к убеждению, что струнная теория поля невозможна по той причине, что она неизбежно нарушает свойства модели Венециано. Они утверждали, что теория струн занимает особое положение в физике, поскольку ее нельзя преобразовать в теорию поля.

Над этой сложной, но важной задачей я работал вместе с Кейдзи Киккава. Шаг за шагом мы разрабатывали свою теорию поля, точно так же, как наши предшественники строили теории поля для других взаимодействий. По примеру Фарадея мы вводили поле в каждой точке пространства-времени. Но для струнной теории поля нам пришлось обобщать концепцию Фарадея и принять поле, определенное для всех возможных конфигураций струны, колеблющейся в пространстве-времени.

На втором этапе требовалось составить уравнения поля, которым подчиняется струна. С уравнением поля для одной струны, перемещающейся в пространстве-времени, проблем не было. Как и следовало ожидать, наши уравнения поля дали бесконечный ряд струнных резонансов, каждый соответствовал некой субатомной частице. Затем мы обнаружили, что на возражения Юкавы и Гейзенберга можно было ответить с помощью струнной теории поля. Когда мы вызывали колебания струны, они распространялись по струне со скоростью меньшей, чем скорость света.

Но скоро мы зашли в тупик. При попытке ввести взаимодействующие струны мы не могли корректно воспроизвести амплитуду Венециано. Дуальность и счет кривых, приведенный Фейнманом для любой теории поля, находились в состоянии прямого конфликта. Как и полагали критики, некорректными оказались диаграммы Фейнмана. Этот результат обескураживал. Все говорило о том, что теория поля, последний век служившая фундаментом для физики, принципиально несовместима с теорией струн.

Помню, как я, разочарованный, до поздней ночи ломал голову над этой задачей. Несколько часов подряд я методично проверял возможные альтернативные решения. И неизменно приходил к выводу, что они противоречат дуальности. Тогда я вспомнил слова Шерлока Холмса, обращенные к Ватсону в повести Артура Конан Дойля «Знак четырех»: «Сколько раз я говорил вам: если отбросить невозможное, то, что останется, пусть даже самое невероятное, и будет истиной». Ободренный этой мыслью, я отбросил все невозможные альтернативы. Оставалось одно невероятное решение: игнорировать свойства формулы Венециано-Судзуки. Часа в три ночи меня вдруг осенило. Я понял, что физики упустили из виду очевидное решение: формулу Венециано-Судзуки можно разделить на две части. Тогда каждая часть соответствует одной из диаграмм Фейнмана, каждая часть опровергает дуальность, но итог соответствует свойствам теории поля.

Я поспешно взял бумагу и погрузился в расчеты. Следующие пять часов я провел проверяя и перепроверяя вычисления по всем возможным направлениям. Вывод оказался однозначным: теория поля действительно опровергает дуальность, как и следовало ожидать, тем не менее она приемлема, так как в конечном итоге воспроизводит формулу Венециано-Судзуки.

Задача была почти решена. Оставалась лишь одна диаграмма Фейнмана, соответствующая столкновению четырех струн. В том году я читал вводный курс электричества и магнетизма студентам Городского университета Нью-Йорка, и мы с ними изучали силовые линии Фарадея. Я предлагал студентам нарисовать силовые линии вокруг зарядов различной конфигурации, повторяя действия, которые первым проделал Фарадей в XIX в. Внезапно до меня дошло: волнистые линии, которые я просил нарисовать студентов, имеют ту же топологическую структуру, что и столкновение струн. Таким образом, рассматривая заряды в студенческой лаборатории, я нашел точную конфигурацию для столкновения четырех струн.

Неужели все так просто?

Я поспешил домой, чтобы проверить свою догадку, и убедился, что прав. Применяя метод наглядных изображений, доступный даже студенту-первокурснику, я мог продемонстрировать, что взаимодействие четырех струн скрывается в формуле Венециано. К зиме 1974 г. мы с Киккава, пользуясь методами, восходящими еще к временам Фарадея, закончили разработку струнной теории поля — первой удачной попытки сочетать теорию струн с математическим аппаратом теории поля.

Наша теория поля была далека от совершенства, хотя точно воспроизводила всю информацию, относящуюся к теории струн. Поскольку мы строили теорию поля, двигаясь в обратном порядке, многие симметрии остались неопределенными. К примеру, симметрии специальной теории относительности присутствовали, но в неявном виде. Требовалось поработать, чтобы упростить найденные нами уравнения поля. Но, едва мы начали исследовать свойства нашей теории поля, в модели вдруг обнаружился серьезный изъян.

В том году физик Клод Лавлейс из Университета Раджерса выяснил, что бозонная струна (описывающая целочисленные спины) самосогласована только в 26 измерениях. Другие ученые подтвердили этот результат и продемонстрировали, что суперструна (описывающая и целочисленные, и половинные спины) самосогласована только в десяти измерениях. Вскоре выяснилось, что в других количествах измерений, отличных от 10 и 26, теория полностью теряет все свои прекрасные математические свойства. Но никто не верил, что теория, определенная для 10 или 26 измерений, имеет хоть какое-нибудь отношение к действительности. Исследования теории струн внезапно замерли. Подобно теории Калуцы-Клейна, теория струн впала в глубокий анабиоз. На десять долгих лет эта модель оказалась прочно забытой. (Большинство ученых, и я в том числе, бросили эту модель, словно тонущий корабль, однако несколько упрямцев, таких как физики Джон Шварц и покойный Жоэль Шерк, пытались удержать ее на плаву и продолжали неуклонно совершенствовать. К примеру, первоначально струнная теория считалась применимой лишь к сильным взаимодействиям с режимами колебаний, соответствующими резонансу кварковой модели. Шварц и Шерк убедительно доказали, что струнная модель действительно является объединяющей теорией для всех взаимодействий, а не только для сильных.)

Исследования в области квантовой гравитации двинулись в другом направлении. В 1974–1984 гг., пока теория струн пребывала в забвении, исследование ряда альтернативных теорий квантовой гравитации с успехом продолжалось. В этот период исходная теория Калуцы-Клейна, а затем и теория супергравитации пользовались огромной популярностью, но со временем изъяны данных моделей тоже стали очевидными. К примеру, было доказано, что и теория Калуцы-Клейна, и теория супергравитации неперенормируемы.


А затем в том же десятилетии произошло нечто странное. С одной стороны, физиков начал раздражать растущий список моделей, опробованных и отвергнутых за этот период. Одну за другой их признавали неудачными. Постепенно становилось ясно, что теории Калуцы-Клейна и супергравитации в принципе указывают верный путь, но сами по себе недостаточно совершенны, чтобы разрешить проблему неперенормируемости. И единственной теорией, достаточно сложной, чтобы охватить и теорию Калуцы-Клейна, и теорию супергравитации, оставалась теория суперструн. С другой стороны, физики постепенно привыкали работать с гиперпространством. Благодаря возрождению теории Калуцы-Клейна идея гиперпространства теперь уже не казалась надуманной или запретной. Со временем даже теория, определенная в 26 измерениях, перестала выглядеть чем-то из ряда вон выходящим. Изначальное сопротивление этим 26 измерениям со временем сошло на нет.

И наконец, когда в 1984 г. Грин и Шварц доказали, что теория суперструн — единственная самосогласованная теория квантовой гравитации, начался бум. В 1985 г. Эдвард Виттен добился значительного прогресса в струнной теории поля, которую многие считают одним из прекраснейших достижений теоретической физики. Он доказал, что наша давняя теория поля может быть выведена с применением эффективных математических и геометрических теорем (заимствованных из так называемой теории гомологии) в полностью релятивистской форме.

Благодаря новой теории Виттена открылась истинная математическая элегантность струнной теории поля, которой не было видно за нашими формулами. Сразу же появились сотни научных статей, в которых рассматривались поразительные математические свойства теории поля Виттена[83].

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Глава 27 ЭНЕРГИЯ ПОЛЯ И ЕГО ИМПУЛЬС

Глава 27
ЭНЕРГИЯ ПОЛЯ И ЕГО ИМПУЛЬС
§ 1. Локальные законы сохранения § 2. Сохранение энергии и электромагнитное поле§ 3. Плотность энергии и поток энергии в электромагнитном поле § 4. Неопределенность энергии поля § 5. Примеры потоков энергии§ 6. Импульс поля§ 1. Локальные

Два столпа теории поля

Два столпа теории поля
«Изменение электрического поля сопровождается магнитным полем». Если поменять местами слова «магнитное» и «электрическое», то предложение будет выглядеть так: «Изменение магнитного поля сопровождается электрическим полем». Справедливо это

Реальность поля

Реальность поля
Количественная, математическая формулировка законов поля дана в так называемых уравнениях Максвелла. Указанные выше факты привели к формулировке этих уравнений, но содержание их значительно богаче, чем мы могли показать. Их простая форма скрывает

Теория поля — язык физики

Теория поля — язык физики
Понятие полей впервые ввел выдающийся британский ученый XIX в. Майкл Фарадей. Сын небогатого кузнеца, Фарадей был гением-самоучкой, ставившим сложные опыты с электричеством и магнетизмом. Он представлял силовые линии, которые, подобно длинным

Теория гравитационного поля

Теория гравитационного поля
Эйнштейну, который сформулировал свой физический принцип, не зная о трудах Римана, недоставало математического языка и способностей, необходимых для выражения этого принципа. Три долгих, обескураживающих года (1912–1915) он провел в

Теория электромагнитного поля Максвелла

Теория электромагнитного поля Максвелла
Заслуга Максвелла состоит в том, что он нашел математическую форму уравнений, в которых связаны воедино значения электрической и магнитной напряженностей, которые создают электромагнитные волны, со скоростью распространения их

1.

 Скалярные, векторные и тензорные поля

1. Скалярные, векторные и тензорные поля
В основном тексте и далее в Дополнениях мы используем понятия скалярного, векторного и тензорного полей. Чтобы не было дискомфорта при встрече с этими терминами, дадим некоторые пояснения. Лучше начать с вектора. В обычном 3-мерном

Магнитные поля в галактиках

Магнитные поля в галактиках
В 1945 году известный уже нам английский астроном Ф. Хойл опубликовал свою гипотезу, согласно которой диффузная первоматерия Галактики сконцентрировалась под воздействием магнитного поля в два рукава, отходящие от центральной части,

Прошлое и будущее теории поля

Прошлое и будущее теории поля
В теоретической модели, основанной на экспериментальных наблюдениях, достоверных с точностью до одного стандартного отклонения.
Наблюдатель (обычно хорошо информированный)
Чтобы понять все значение теории поля, необходимо рассмотреть

97 Магнитные поля на бумаге

97
Магнитные поля на бумаге
Для опыта нам потребуются: железные опилки (придется напилить из гвоздей), обычный маленький бытовой магнит, плотный лист бумаги, банка с подсолнечным маслом.
Этот опыт потребовал от меня взять напильник и напилить из гвоздей, зажав их в тисках,

Магнитные, электрические и гравитационные поля

Магнитные, электрические и гравитационные поля
Силовые линии магнитных полей играют большую роль во Вселенной и очень важны для понимания «Интерстеллар», поэтому стоит поговорить о них, прежде чем углубиться в научные аспекты фильма.Наверное, на уроках физики вам

Что такое теория струн? | Космос

Теория струн переворачивает страницу стандартного описания Вселенной, заменяя все материальные и силовые частицы всего одним элементом: крошечными вибрирующими струнами, которые сложным образом крутятся и крутятся и, с нашей точки зрения, выглядят как частицы.
(Изображение предоставлено Shutterstock)

Теория струн — это идея теоретической физики о том, что реальность состоит из бесконечно малых вибрирующих струн, меньших, чем атомы, электроны или кварки. Согласно этой теории, когда струны вибрируют, скручиваются и сгибаются, они производят эффекты во многих крошечных измерениях, которые люди интерпретируют как все, от физики элементарных частиц до крупномасштабных явлений, таких как гравитация.

Теория струн считается возможной «теорией всего», единой структурой, которая могла бы объединить общую теорию относительности и квантовую механику , две теории, лежащие в основе почти всей современной физики. В то время как квантовая механика очень хорошо описывает поведение очень маленьких вещей, а общая теория относительности хорошо работает, чтобы объяснить, как очень большие вещи происходят во Вселенной, они не очень хорошо сочетаются друг с другом. Некоторые ученые думают (или думали), что теория струн может решить загадки между ними, победив одну из основных нерешенных проблем физики.

Но после того, как теория струн приобрела известность в конце 1960-х и 1970-х годах, ее популярность среди физиков-теоретиков колебалась, согласно лекции физика из Калифорнийского технологического института Джона Шварца , которого многие считают одним из основателей теории струн. После бесчисленных статей, конференций и маркеров захватывающий дух прорыв, на который многие когда-то надеялись, кажется далеким, чем когда-либо.

Тем не менее, буря размышлений вокруг самой идеи теории струн оставила глубокий след как в физике, так и в математике. Нравится вам это или нет (а некоторым физикам, конечно, нет), но теория струн никуда не денется.

Что такое теория струн?

Теория струн — это структура, которую физики используют для описания того, как силы, обычно рассматриваемые на гигантском уровне, такие как гравитация, могут влиять на крошечные объекты, такие как электроны и протоны.

В общей теории относительности Альберта Эйнштейна гравитация — это сила, искривляющая пространство-время вокруг массивных объектов. Это одна из четырех сил , которые физики используют для описания природы. Но в отличие от других взаимодействий (электромагнетизма, сильного взаимодействия и слабого взаимодействия), гравитация настолько слаба, что ее нельзя обнаружить или наблюдать в масштабе частицы. Вместо этого его эффекты заметны и важны только в масштабах лун, планет, звезд и галактик.

Гравитация, похоже, тоже не существует как отдельная частица. Теоретики могут предсказать, как должна выглядеть гравитационная частица, но когда они пытаются рассчитать, что происходит, когда два таких «гравитона» сталкиваются друг с другом, они получают бесконечное количество энергии, упакованное в маленькое пространство — верный признак, по словам астрофизика Пола Саттера. в предыдущей статье для Space.com , что в математике чего-то не хватает.

Одно из возможных решений, которое теоретики позаимствовали у физиков-ядерщиков в 1970-х, состоит в том, чтобы избавиться от проблемных точечных частиц гравитона. Струны, и только струны, могут сталкиваться и отскакивать чисто, не подразумевая физически невозможных бесконечностей.

Математика теории струн требует шести дополнительных измерений (всего их 10), видимых только маленьким струнам, подобно тому, как линия электропередач выглядит как одномерная линия для птиц, летящих высоко над головой, и как трехмерный цилиндр для муравья, ползущего по проводу. (Изображение предоставлено Shutterstock)

«Одномерный объект — это то, что действительно укрощает бесконечность, возникающую в расчетах», — сказала Space эксперт по теории струн Марика Тейлор, физик-теоретик из Саутгемптонского университета в Англии. ком.

Теория струн переворачивает страницу стандартного описания Вселенной, заменяя все материальные и силовые частицы всего одним элементом: крошечными вибрирующими струнами, которые сложным образом скручиваются и вращаются и, с нашей точки зрения, выглядят как частицы. Струна определенной длины, ударяющая по определенной ноте, может приобрести свойства фотона, другая струна, свернутая и вибрирующая с другой частотой, может играть роль кварка и так далее.

В дополнение к укрощению гравитации, теория струн привлекала своим потенциалом для объяснения так называемых фундаментальных констант, таких как масса электрона. Теоретики надеялись, что следующим шагом будет поиск правильного способа описания складывания и движения струн, а все остальное должно было последовать.

Но эта первоначальная простота обернулась неожиданной сложностью — математика струн не работала в наших привычных четырех измерениях (три пространственных и одно временное). Всего потребовалось 10 измерений , шесть из которых видны только в перспективе маленьких ниточек, подобно тому, как линия электропередач выглядит как одномерная линия для птиц, летящих высоко над головой, но становится трехмерным цилиндром для муравья, ползущего по проводу.

Как развивалась теория струн?

Теория струн сегодня не совсем соответствует теории струн 19-го века.60-х и 70-х годов. Исследователи расходятся во мнениях относительно того, является ли она с модификациями лучшим кандидатом на роль «теории всего» или теоретикам следует отказаться от нее в пользу других тем.

«К 1973–1974 годам было много веских причин прекратить работу над теорией струн, — писал Шварц. Внимание физиков переключилось с того, что казалось бесплодным исследованием крошечных необнаружимых «мягких» струн, и вместо этого занялось более убедительными доказательствами существования адронов, субатомных частиц, состоящих из кварков, действия которых невозможно объяснить с помощью струн.

«​То, что было быстро развивающимся предприятием, в котором участвовало несколько сотен теоретиков, быстро остановилось», — писал Шварц. «Только несколько несгибаемых продолжали преследовать его».

В течение следующего десятилетия несколько ученых продолжали работать над пятью различными версиями теории струн. Со временем исследователи начали обнаруживать неожиданные связи между пятью идеями, которые Эдвард Виттен, теоретик из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, собрал и представил на 9-й конференции.0005 1995 Конференция по теории струн в Университете Южной Калифорнии. Виттен утверждал, что каждая из пяти теорий струн представляет собой приближение к более фундаментальной 11-мерной теории, поскольку она ведет себя в конкретной ситуации, во многом подобно тому, как теории относительности Эйнштейна, искажающие пространство и время, соответствуют ньютоновскому описанию объектов, движущихся с нормальными скоростями. . Это было началом одного из ответвлений теории струн: М-теории.

«М», вероятно, вдохновлен объектами более высокого измерения, называемыми мембранами, сказал Тейлор, но, поскольку в теории нет конкретных математических уравнений, «М» остается заполнителем без официального значения. «На самом деле это была параметризация нашего невежества», — сказала она.

Попытки найти те общие уравнения, которые будут работать во всех возможных ситуациях, не увенчались успехом, но предполагаемое существование фундаментальной теории дало теоретикам понимание и уверенность, необходимые для разработки математических методов для пяти версий теории струн и применения их в теории струн. контекст, в котором работала каждая теория.

Художественная интерпретация теории струн. (Изображение предоставлено: Science Photo Library через Getty Images)

Струны слишком малы, чтобы их можно было обнаружить с помощью любой мыслимой технологии, но одним из первых теоретических успехов была способность физиков описать энтропию черной дыры в 1996 статей, опубликованных в журнале Physics Letters .

Энтропия относится к числу способов, которыми вы можете расположить части системы, но, не имея возможности заглянуть в непроницаемые глубины черной дыры, никто не знает, какой тип частиц может находиться внутри или какое расположение они могут принимать . И тем не менее, в начале 1970-х годов Стивена Хокинга и другие использовали законы термодинамики и, согласно статье, опубликованной в 2020 году в журнале Physics , квантовая механика для расчета энтропии внутри черной дыры, предполагая, что черные дыры должны иметь какую-то внутреннюю структуру. Что это за структура могла быть, так и осталось загадкой.

Большинство попыток описать состав черной дыры терпят неудачу, но конфигурации гипотетических струн делают свое дело. «Теория струн смогла дать точный подсчет», — сказал Тейлор — фактическое возможное объяснение внутренней части черной дыры, а не просто грубую идею.

Тем не менее, структура теории струн по-прежнему сталкивается со многими проблемами: она предлагает невероятное количество способов свернуть дополнительные шесть измерений. Кажется, что каждый вариант соответствует широким характеристикам Стандартной модели, управляющей физикой элементарных частиц, и мало надежды определить, какой из них является правильным. Более того, написал в своем блоге 9 астрофизик Итан Сигел.0005 Начинается со взрыва Все эти модели управления дополнительными измерениями основаны на эквивалентности между частицами силы и частицами материи, называемой суперсимметрией. Но, как и в случае с дополнительными измерениями, которых требует теория струн, мы не наблюдаем суперсимметрии в нашем мире.

Помимо этих возражений, неясно, может ли теория струн — М-теория или нет — когда-либо быть совместима с нашим современным пониманием расширяющейся Вселенной, наполненной темной энергией, сообщает Quanta Magazine в 2018 году. 

Ряд физиков, таких как Питер Войт из Колумбийского университета, считают эти расхождения с реальностью фатальными ошибками. «Основная проблема с исследованиями по объединению теории струн заключается не в том, что прогресс был медленным в течение последних 30 лет, — писал он в своем блоге , — а в том, что они были отрицательными, поскольку все изученное более ясно показывает, почему эта идея не работает». т работать.»

Тейлор, однако, утверждает, что сегодняшние модели слишком упрощены, и в них есть такие функции, как космологическое расширение и отсутствие суперсимметрии могут когда-нибудь быть встроены в будущие версии. Тейлор ожидает, что, хотя новая эра гравитационно-волновой астрономии может принести новые лакомые кусочки информации о квантовой гравитации, больший прогресс будет достигнут, продолжая глубже следовать математике в теории струн.

«У меня есть теоретическое пристрастие, — сказала она, — но я думаю, что прорыв, который я описываю, произошел бы от доски, от мысли».

Почему теория струн по-прежнему важна?

Независимо от того, удастся ли когда-нибудь превратить теорию струн в «теорию всего», ее наследие в качестве продуктивной исследовательской программы может быть гарантировано только математическими достоинствами.

«Это не может быть тупиком в том смысле, что мы узнали только из самой математики», — сказал Тейлор. «Если бы вы сказали мне завтра, что Вселенная абсолютно не суперсимметрична и не имеет 10 [пространственных] измерений, мы все равно связали бы целые разделы математики», используя структуру теории струн.

В частности, когда Виттен и другие исследователи показали, что пять теорий струн были тенями одной родительской теории, они выявили связи, называемые двойственностями, которые оказались важным вкладом в математику и физику.

Двойственность позволяет математикам переходить от одной области математики к другой, решая проблемы, неразрешимые в одной системе, используя вычисления, выполненные в другой, например, в геометрии и теории чисел. По словам Тейлора, другие дуальности помогли преодолеть проблемы в квантовых вычислениях. «Он не сделает ваш iPhone следующего поколения, — сказала она, — но может сделать ваш iPhone 22-го века».

Является ли способность теории струн освещать темную паутину, соединяющую различные области математики, признаком ее потенциала или просто удачным совпадением, остается предметом споров. Виттен, выступая в Институте перспективных исследований в 2019 году, признал, что, хотя он больше не чувствует себя так уверенно, как когда-то, что теория струн превратится в полную физическую теорию, его чутье подсказывает ему, что теория остается продуктивной. Область научных исследований.

«Для меня неправдоподобно, чтобы люди случайно наткнулись на такую ​​невероятную структуру, которая проливает столько света на устоявшиеся физические теории, а также на такое множество различных областей математики», — сказал он аудитории. «Я уверен, что общее предприятие находится на правильном пути, но я не утверждаю, что приведенный мною аргумент научно убедителен».

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше об истории и объяснениях современной теории струн на странице WhyStringTheory.com , веб-сайт, созданный аспирантами Оксфордского и Кембриджского университетов для «заинтересованных неспециалистов». Или, если вы предпочитаете идти прямо к источнику, ознакомьтесь с этим интервью CERN Courier с создателем теории струн Габриэле Венециано. Если вы ищете пояснительное видео, посмотрите эти два видео под названием « Почему теория струн верна » и « Почему теория струн неверна », оба из PBS Digital Studios.

  • «Разговор Робберта Дейкграафа и Эдварда Виттена — видео | Институт перспективных исследований», 30 мая 2019 г. https://www.ias.edu/video/universe/2019/0529-DijkgraafWitten .
  • Шварц, Джон Х. «Ранняя история теории струн и суперсимметрии», 4 января 2012 г. https://arxiv.org/abs/1201.0981v1 .
  • Сигел, Итан. «Почему суперсимметрия может быть величайшим ошибочным предсказанием в истории физики элементарных частиц». Форбс, 12 февраля 2019 г. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/02/12/why-supersymmetry-may-be-the-greatest-failed-prediction-in-particle-physics-history/ .
  • Стромингер А. и К. Вафа. «Микроскопическое происхождение энтропии Бекенштейна-Хокинга». Письма по физике B 379, вып. 1–4 (июнь 1996 г.): 99–104. https://doi.org/10.1016/0370-2693(96)00345-0 .
  • Виттен, Эдвард. «Динамика теории струн в различных измерениях». Ядерная физика B 443, вып. 1–2 (19 июня95): 85–126. https://doi.org/10.1016/0550-3213(95)00158-O .
  • Войт, Питер. «Часто задаваемые вопросы | Даже не неправильно». Даже не ошибся (блог). По состоянию на 17 января 2022 г. https://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/?page_id=4338 .
  • Волховер, Натали. «Темная энергия может быть несовместима с теорией струн». Журнал Quanta, 9 августа 2018 г. / .
  • Зайас, Леопольдо А. Пандо. «Микроскопический отчет об энтропии черной дыры». Physics  13 (18 мая 2020 г.): 80. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.021037 (открывается в новой вкладке).

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Вики Стейн — научный писатель из Калифорнии. Она имеет степень бакалавра экологии и эволюционной биологии Дартмутского колледжа и диплом о высшем образовании в области научного письма Калифорнийского университета в Санта-Круз (2018 г.). После этого она работала помощником по новостям в PBS NewsHour, а теперь работает внештатным сотрудником, освещая все, от астероидов до зебр. Следите за ее последними работами (и последними фотографиями голожаберников) в Твиттере.

теория струн | Объяснение и определение

Ключевые люди:
Дэвид Гросс
Ёичиро Намбу
Брайан Грин
Эдвард Виттен
Похожие темы:
брана
суперсимметрия
глюино
гравитино
фотино

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

теория струн , в физике элементарных частиц, теория, которая пытается объединить квантовую механику с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Название теория струн происходит от моделирования субатомных частиц как крошечных одномерных «струноподобных» объектов, а не от более традиционного подхода, в котором они моделируются как нульмерные точечные частицы. Теория предполагает, что струна, испытывающая определенный режим вибрации, соответствует частице с определенными свойствами, такими как масса и заряд. В 19В 80-х годах физики осознали, что теория струн может объединить все четыре силы природы — гравитацию, электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие — и все типы материи в единой квантово-механической структуре. единая теория поля. Хотя теория струн по-прежнему является динамичной областью исследований, которая быстро развивается, она остается прежде всего математической конструкцией, поскольку еще не вступила в контакт с экспериментальными наблюдениями.

Теория относительности и квантовая механика

Что такое теория струн?

Посмотреть все видео к этой статье

В 1905 году Эйнштейн объединил пространство и время ( см. пространство-время) с помощью своей специальной теории относительности, показав, что движение в пространстве влияет на течение времени. В 1915 году Эйнштейн объединил пространство, время и гравитацию в своей общей теории относительности, показав, что деформации и кривые в пространстве и времени ответственны за силу гравитации. Это были монументальные достижения, но Эйнштейн мечтал о еще более грандиозном объединении. Он представил себе единую мощную структуру, которая будет объяснять пространство, время и все силы природы, — то, что он назвал единой теорией. В течение последних трех десятилетий своей жизни Эйнштейн неуклонно следовал этому видению. Хотя время от времени распространялись слухи о том, что ему это удалось, более пристальное внимание всегда разбивало такие надежды. Большинство современников Эйнштейна считали поиск единой теории безнадежным, если не ошибочным поиском.

Напротив, с 1920-х годов основной заботой физиков-теоретиков была квантовая механика — формирующаяся основа для описания атомных и субатомных процессов. Частицы в этих масштабах имеют такие крошечные массы, что гравитация практически не имеет значения в их взаимодействиях, и поэтому в течение десятилетий квантово-механические расчеты обычно игнорировали общие релятивистские эффекты. Вместо этого к концу 1960-х основное внимание уделялось другому взаимодействию — сильному взаимодействию, которое связывает вместе протоны и нейтроны внутри атомных ядер. Габриэле Венециано, молодой теоретик, работающий в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), совершил ключевой прорыв в 1919 году.68 с его осознанием того, что формула 200-летней давности, бета-функция Эйлера, способна объяснить большую часть данных о сильном взаимодействии, которые в то время собирались на различных ускорителях частиц по всему миру. Несколькими годами позже три физика — Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета, Хольгер Нильсен из Института Нильса Бора и Йоитиро Намбу из Чикагского университета — значительно расширили понимание Венециано, показав, что математика, лежащая в основе его предположения, описывает колебательное движение мельчайших нитей. энергии, которые напоминают крошечные нити струны, вдохновившие название теория струн . Грубо говоря, теория предполагала, что сильное взаимодействие представляет собой струны, связывающие вместе частицы, прикрепленные к концам струн.

Предсказания и теоретические трудности

Теория струн была интуитивно привлекательным предложением, но к середине 1970-х годов более точные измерения сильного взаимодействия отклонились от ее предсказаний, что привело большинство исследователей к выводу, что теория струн не имеет никакого отношения к физической теории. Вселенной, какой бы изящной ни была математическая теория. Тем не менее небольшое число физиков продолжали заниматься теорией струн. В 1974 Джон Шварц из Калифорнийского технологического института и Джоэл Шерк из Высшей нормальной школы и независимо друг от друга Тамиаки Йонея из Университета Хоккайдо пришли к радикальному выводу. Они предположили, что одно из якобы несостоявшихся предсказаний теории струн — существование особой безмассовой частицы, с которой никогда не сталкивался ни один эксперимент, изучающий сильное взаимодействие, — на самом деле является свидетельством того самого объединения, которого предвидел Эйнштейн.

Britannica Quiz

Физика и естественное право

Какая сила замедляет движение? Каждому действию есть равное и противоположное что? В этом викторине по физике нет ничего, что E = mc было бы квадратным.

Хотя никому не удалось объединить общую теорию относительности и квантовую механику, предварительная работа установила, что такой союз потребует именно безмассовой частицы, предсказанной теорией струн. Несколько физиков утверждали, что теория струн, встроив эту частицу в свою фундаментальную структуру, объединила законы большого (общая теория относительности) и законы малого (квантовая механика). Эти физики утверждали, что вместо того, чтобы быть просто описанием сильного взаимодействия, теория струн требует переосмысления как важного шага к единой теории Эйнштейна.

Объявление было повсеместно проигнорировано. Теория струн уже потерпела неудачу в своем первом воплощении как описание сильного взаимодействия, и многие считали маловероятным, что теперь она будет преобладать в качестве решения еще более сложной проблемы.