Струнная теория: Теория струн для чайников — Naked Science

Содержание

Теория струн простыми словами — Телеканал «Наука»

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

    • Хтоническое

    Геофизики предсказывают обратное слияние континентов

    • Живое
    • Устройство человека

    Ученые выяснили, по каким признакам можно определить наличие «генов долголетия»

    • Что было раньше

    Невероятно реалистичные реконструкции лиц средневековых женщины, священника и епископа

    • Околонаука

    Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили Сванте Паабо

    • Околонаука

    Стартовал второй сезон конкурса детского научно-популярного видео «Знаешь? Научи!» 

  • Shutterstock

    Можно ли победить стресс? 

  • NASA, ESA, CSA, and STScI

    Опубликована первая научная полноцветная фотография с телескопа «Джеймс Уэбб»

  • NGC 1309

    NASA, ESA, The Hubble Heritage Team (STSCI/AURA), and A. Riess (JHU/STSCI)

    Обнаружена звезда, которая пережила собственный термоядерный взрыв и стала ярче

  • Установка для создания атомного лазера

    Scixel

    Физики создали атомный лазер, который может работать вечно

  • Volland et al. / Science, 2022

    Найдена самая крупная бактерия. Она длиной с ресницу

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 простым языком — Altarena.ru — технологии и ответы на вопросы

Содержание

  1. Теория струн
  2. Теория суперструн
  3. Варианты теории струн
  4. Дополнительные измерения
  5. Кто открыл теорию струн?
  6. Как возникла теория струн?
  7. Что такое теория струн? Простой обзор
  8. Основная идея теории струн
  9. 5 основных элементов теории струн
  10. 1. Дополнительное измерение
  11. 2. Суперсимметрия
  12. 3. Объединение сил
  13. 4. Открытые и закрытые струны
  14. 5. М-Теория
  15. Кто открыл теорию струн?
  16. Является ли теория струн теорией всего?
  17. Почему теория струн важна?
  18. Теория струн для «чайников»
  19. Теория струн для чайников
  20. Суть теории струн
  21. Время
  22. Струны
  23. Видео

Теория струн

Теория струн — это теория о том, что фундаментальными составляющими Вселенной являются одномерные «струны», а не точечные частицы (как это принято наукой). Эти бесконечные струны совершают колебания, которые похожи на движения струн.

Согласно науке, если постоянно увеличивать любой предмет под микроскопом, сначала можно увидеть молекулы, которые состоят из атомов, они состоят из электронов и ядер, ядра состоят из протонов и нейтронов, внутри нейтрона мы увидим кварки.

Считается, что после этого больше ничего нет. Однако согласно теории струн, внутри этих кварков существуют тончайшие вибрирующие струны.

Эта недоказанная теория в физике элементарных частиц объединяет квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна.

Некоторые физики считают, что при объединении квантовой физики и гравитации в одну именно у этой теории больше всего шансов стать «теорией всего» (гипотетический фундамент, который объясняет абсолютно все физические явления).

Однако есть и другие учёные, которые думают, что она является почти псевдонаукой, поскольку её практически невозможно проверить экспериментальным путём.

Теория суперструн

Теория суперструн — это сокращение от «суперсимметричная теория струн»; это ещё одна версия теории струн, которая для моделирования гравитации:

Теория струн — это общее название всей области. Главное теоретическое отличие между теорией струн и теорией суперструн заключается в существовании суперсимметрии.

Варианты теории струн

Вместо одной теории, которая объясняет всё во Вселенной, на данный момент существуют целых пять теорий струн. Различия между этими теориями очень сложны математически.

Дополнительные измерения

Теории струн требуются дополнительные измерения: говорится о добавлении по меньшей мере 6 измерений к 4 известным (всего 10 измерений). В ней также предусмотрены способы связать большие дополнительные измерения с малыми.

Некоторые доклады по теории струн сообщают о 26-мерном пространстве, в теории суперструн говорится о 11-мерном пространстве (более гипотетическая теория суперструн/сверхструн под названием M-теория).

Мы знаем три измерения, что нас окружают — те, которые определяют длину, ширину и глубину всех объектов (оси x, y и z соответственно). Четвёртое измерение — это время, оно определяет свойства всей известной материи в любой заданной точке.

Кто открыл теорию струн?

Основателем теории струн, ключевым теоретиком, стоящим за самыми ранними моделями, считается итальянский физик-теоретик Габриеле Венециано (родился в 1942 г.).

Также в середине 1970-х годов одними из первых и наиболее важных теоретиков были:

Как возникла теория струн?

Эта теория началась с наблюдения резонанса элементарных частиц (возбуждённое состояние адрона, например, протон или нейтрон), которые образовывали регулярные паттерны. Они напоминали обертоны от натянутой струны (обертоны — частичные тоны, входящие в спектр музыкального звука).

В 1968 году, исходя из этого наблюдения, итальянский физик Габриеле Венециано сделал предположение о том, что на самом деле эти адроны (сильно взаимодействующие элементарные частицы) являются энергетическими колебаниями микроскопически малых струн. Таким образом, он предположил, что самой элементарной единицей является не точка, а струна.

В начале 1980-х годов физики-теоретики Майкл Грин (англичанин) и Джон Генри Шварц (американец) соединили теорию струн и суперсимметрию, так появилась теория суперструн.

Источник

Что такое теория струн? Простой обзор

Теория струн в настоящее время стала самой противоречивой концепцией в физике, целью которой является объединение двух столпов физики 20-го века: теории относительности Эйнштейна и квантовой механики. Проще говоря, это всеобъемлющая структура, которая может объяснить всю физическую реальность (если она доказана).

Основная идея теории струн

Выбери что-нибудь вокруг себя. Допустим, вы взяли яблоко со стола. Из чего сделано яблоко? Ну, чтобы ответить на этот вопрос, вам нужно заглянуть в него.

Если вы продолжите увеличивать его, рано или поздно вы начнете видеть молекулы. Но это не конец истории, если вы еще больше увеличите их и сделаете их достаточно большими, вы начнете видеть атомы.

Атомы не являются концом истории, потому что, если вы увеличите масштаб, вы увидите электроны и ядра. Ядро само состоит из протонов и нейтронов. Если вы возьмете одну из этих частиц (скажем, нейтрон) и увеличите ее, вы найдете еще больше крошечных частиц внутри, называемых кварками.

Теперь это то, где традиционная идея останавливается и теория струн приходит, предполагая, что внутри этих крошечных частиц есть что-то еще.

Обычная идея гласит, что внутри кварков нет ничего, но теория струн гласит, что вы найдете крошечную нитку, похожую на струну. Они похожи на струну на скрипке: когда вы отрываете струну, она вибрирует и создает небольшую музыкальную ноту.

Иллюстрация струны

Однако крошечные струны в теории струн не дают музыкальных нот. Вместо этого, когда они вибрируют, они сами производят частицы. Каждый тип вибрации соответствует различным частицам.

5 основных элементов теории струн

1. Дополнительное измерение

На данный момент теория струн является простой идеей. Нет прямых экспериментальных доказательств того, что это правильное описание природы.

Теория струн требует от нас принять существование дополнительного измерения во вселенной. В настоящее время мы живем в трех пространственных измерениях, но теория струн требует более шести высоких измерений в дополнение к четырем общим измерениям (3D + время), чтобы иметь смысл.

2. Суперсимметрия

Во Вселенной существует два основных класса элементарных частиц: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между этими двумя частицами существует связь, называемая суперсимметрией, при которой для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот.

Принцип суперсимметрии был открыт вне теории струн. Однако его включение в теорию струн позволяет определенному члену в уравнениях вычеркнуть и придать смысл. Без этого принципа уравнения теории струн приводят к физическим несоответствиям, таким как воображаемые уровни энергии и бесконечные значения.

Другими словами, объединение идеи суперсимметрии с теорией струн дает лучшую теорию, теорию суперструн.

Физики надеются, что эксперименты с ускорителями частиц и астрономические наблюдения позволят выявить несколько суперсимметричных частиц, что обеспечит поддержку теоретических основ теории струн.

3. Объединение сил

Современная физика имеет два совершенно разных закона: общая теория относительности и квантовая механика. Относительность изучает большие объекты в масштабе планет, галактик и вселенной, в то время как квантовая механика имеет тенденцию изучать крошечные объекты в природе на самых маленьких масштабах энергетических уровней атомов и субатомных частиц.

Не совсем понятно, как гравитация влияет на мельчайшие частицы. Теории, которые стремятся описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации, и одной из наиболее многообещающих из всех таких теорий является теория струн.

4. Открытые и закрытые струны

5 фундаментальных взаимодействий струны типа I

Струны в теории струн имеют две формы: открытые и закрытые струны. Две открытые струны могут соединяться с обоих концов, образуя закрытую струну. Или несколько открытых струн могут присоединиться к одному концу, чтобы сформировать новую открытую струну.

Такие струны, известные как струны типа I, могут проходить через 5 основных типов взаимодействий. Эти взаимодействия зависят от способности струны соединять и разделять концы концов.

Ученые считают, что у замкнутых струн есть особые атрибуты, которые могут описывать гравитацию в квантовой механике.

5. М-Теория

Связь между M-теорией, теориями суперструн и 11D супергравитацией | Wikimedia

Со временем ученые придумали пять различных версий теории суперструн: Тип I, Тип IIA, Тип IIIB и две версии теории гетеротических струн.

Однако в 1995 году американский физик-теоретик Эдвард Виттен объединил все пять теорий в одну 11-мерную теорию, называемую М-теорией. Это может обеспечить основу для построения единой теории всех фундаментальных сил во Вселенной.

Кто открыл теорию струн?

Теория струн взята из теории S-матриц, исследовательской программы, начатой ​​Вернером Гейзенбергом в 1943 году. Целью этой программы было заменить локальную квантовую теорию поля как основной принцип физики элементарных частиц.

Ускорители частиц 1950-х и 60-х годов в изобилии производили адроны. Физики изобрели множество различных моделей для описания структуры спинов и масс этих сильно взаимодействующих частиц (состоящих из кварков).

Итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано сыграл главную роль в разработке этих ранних моделей. Он сформулировал основы теории струн в 1968 году, когда обнаружил, что крошечные струны могут описывать взаимодействия адронов.

Он также опубликовал статью в 1991 году, в которой описывается, как инфляционная космологическая модель может быть получена из теории струн.

Сегодня, благодаря совместным усилиям многих исследователей, теория струн превратилась в широкую и разнообразную тему, связанную с чистой математикой, космологией, физикой конденсированного состояния и квантовой гравитацией.

Является ли теория струн теорией всего?

Это также дало новые идеи в отношении кварк-глюонной плазмы и дал много результатов, некоторые из которых могут показаться непонятными или абсурдными. Например, теория струн допускает около 10500 вселенных или обширную мультивселенную. Это одна из причин, она столкнулась с многочисленными неудачами в прошлом.

Почему теория струн важна?

Хотя теория струн до сих пор не дала каких-либо проверяемых экспериментальных предсказаний, математика в теории струн сработала. И именно поэтому это чрезвычайно полезно.

За последние несколько десятилетий теория струн предложила несколько убедительных и достоверных решений.

Исследователи также установили связь между рамками квантовой теории поля и теории струн, которая называется AdS / CFT-соответствием.

Мы еще не знаем, какова истинная природа реальности, но мы будем продолжать копать, пока не узнаем.

Источник

Теория струн для «чайников»

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).

Физическое сообщество отреагировало на это предположение весьма сдержанно. В действительности, по воспоминаниям Шварца, «наша работа была проигнорирована всеми» 4 ). Пути прогресса уже были основательно захламлены многочисленными провалившимися попытками объединить гравитацию и квантовую механику. Теория струн потерпела неудачу в своей первоначальной попытке описать сильное взаимодействие, и многим казалось бессмысленным пытаться использовать ее для достижения еще более великих целей. Последующие, более детальные исследования конца 1970-х и начала 1980-х гг. показали, что между теорией струн и квантовой механикой возникают свои, хотя и меньшие по масштабам, противоречия. Создавалось впечатление, что гравитационная сила вновь смогла устоять перед попыткой встроить ее в описание мироздания на микроскопическом уровне.

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.

Однако на этом пути занимавшиеся теорией струн физики снова и снова натыкались на серьезные препятствия. В теоретической физике часто приходится иметь дело с уравнениями, которые либо слишком сложны для понимания, либо с трудом поддаются решению. Обычно в такой ситуации физики не пасуют и пытаются получить приближенное решение этих уравнений. Положение дел в теории струн намного сложнее. Даже сам вывод уравнений оказался столь сложным, что до сих пор удалось получить лишь их приближенный вид. Таким образом, физики, работающие в теории струн, оказались в ситуации, когда им приходится искать приближенные решения приближенных уравнений. После нескольких лет поражающего воображение прогресса, достигнутого в течение первой революции теории суперструн, физики столкнулись с тем, что используемые приближенные уравнения оказались неспособными дать правильный ответ на ряд важных вопросов, тормозя тем самым дальнейшее развитие исследований. Не имея конкретных идей по выходу за рамки этих приближенных методов, многие физики, работавшие в области теории струн, испытали растущее чувство разочарования и вернулись к своим прежним исследованиям. Для тех, кто остался, конец 1980-х и начало 1990-х гг. были периодом испытаний.

Красота и потенциальная мощь теории струн манили исследователей подобно золотому сокровищу, надежно запертому в сейфе, видеть которое можно лишь через крошечный глазок, но ни у кого не было ключа, который выпустил бы эти дремлющие силы на свободу. Долгий период «засухи» время от времени прерывался важными открытиями, но всем было ясно, что требуются новые методы, которые позволили бы выйти за рамки уже известных приближенных решений.

Конец застою положил захватывающий дух доклад, сделанным Эдвардом Виттеном в 1995 г. на конференции по теории струн в университете Южной Калифорнии – доклад, который ошеломил аудиторию, до отказа заполненную ведущими физиками мира. В нем он обнародовал план следующего этапа исследований, положив тем самым начало «второй революции в теории суперструн». Сейчас специалисты по теории струн энергично работают над новыми методами, которые обещают преодолеть встреченные препятствия.

За широкую популяризацию ТС человечеству стоило бы поставить памятник профессору Колумбийского университета (Columbia University) Брайану Грину (Brian Greene). Его вышедшая в 1999 году книга «Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории» стала бестселлером и получила Пулитцеровскую премию. Труд учёного лёг в основу научно-популярного мини-сериала с самим автором в роли ведущего – его фрагмент можно увидеть в конце материала (фото Amy Sussman/Columbia University).

кликабельно 1700 рх

А теперь давайте хоть немного попробуем понять суть этой теории.

Начнём с начала. Нулевое измерение — это точка. У неё нет размеров. Двигаться некуда, никаких координат для обозначения местонахождения в таком измерении не нужно.

Поставим рядом с первой точкой вторую и проведём через них линию. Вот вам и первое измерение. У одномерного объекта есть размер — длина, но нет ни ширины, ни глубины. Движение в рамках одномерного пространства очень ограничено, ведь возникшее на пути препятствие не обойдёшь. Чтобы определить местонахождение на этом отрезке, понадобится всего одна координата.

Поставим рядом с отрезком точку. Чтобы уместить оба эти объекта, нам потребуется уже двумерное пространство, обладающее длиной и шириной, то есть, площадью, однако без глубины, то есть, объёма. Расположение любой точки на этом поле определяется двумя координатами.

Третье измерение возникает, когда мы добавляем к этой система третью ось координат. Нам, жителям трёхмерной вселенной, очень легко это представить.

Попробуем вообразить, как видят мир жители двухмерного пространства. Например, вот эти два человечка:

Каждый из них увидит своего товарища вот таким:

Источник

Теория струн для чайников

Объяснять теорию струн простым языком все равно что играть в Dark Souls на банане. Но, раз это у кого-то все же получилось, пожалуй, я попробую. Не обещаю, что это будет краткий экскурс, потому что для того, чтобы разобраться в этом, пары слов будет недостаточно. Но я все же постараюсь объяснить это максимально доступно. Итак, начинаем: теория струн для чайников от такого же чайника.

Теория струн предполагает, что в нашей Вселенной существует гораздо больше измерений, чем четыре нам привычные: три пространственных плюс время.

Проблемы с объяснением этой теории возникают не только у обывателей, но и у ученых. Весьма сложно соединить все основы типа гравитации и магнитных полей в одно целое. Физики хотели получить единую Теорию Всего, и вывели теорию суперструн. А что дальше с ней делать, как это все объяснить, никто не знает.

Чтобы собрать этот пазл, оказалось мало четырех измерений. Поэтому теория суперструн предполагает, что их десять. И, если это вам кажется много, то дальнейшее развитие данной теории привело к появлению на свет M и F-теорий, подразумевающих 11 и 12 измерений соответственно. Почему так много? Потому что при меньшем количестве все математические измерения своими результатами уходят в бесконечность.

Не стоит забывать, что все это лишь теория, существующая пока только в математических расчетах. Где же все остальные измерения, спросите вы? Говорят, что они находятся где-то в квантовом мире, заключенные в сфероподобные пространства Калаби-Яу. Внутри этих сфер находятся эдакие маленькие мирки с размерностью, которую нам не понять. Выглядит все это безобразие как-то так:

Но всей этой запары ученым было мало, и они придумали почти 500 миллионов (470) вариантов таких сфер. И сейчас они активно пытаются выяснить, какая же из них настоящая. Из выборки в 470 миллионов практически вымышленных объектов нужно найти одну, соответствующую нашей реальности. Это уже не DarkSouls на банане, это просто лютое безумие.

У меня нет ни желания, ни ученой степени, чтобы объяснять вам про бозоны, кварки и гравитоны. Думаю, вам это и не нужно – углубление в физику. У нас же все-таки теория струн для чайников. Поэтому пойдем более простым путем.

Суть теории струн

Чтобы объяснить суть теории струн, начнем с самого начала. А что у нас в начале? До всего этого десятка измерений, кое-что безразмерное, так называемое нулевое измерение. Конечно же, это точка. А у вас были другие варианты?

Теперь возьмем две точки и соединим как в начальных классах на математике. Что получилось? Правильно, отрезок. Он, в отличие от точки уже имеет одно измерение – длину. Однако ни ширины, ни высоты здесь по-прежнему нет. Двигаться в одномерном пространстве можно только вперед и назад. Никаких вверх-вниз, влево-вправо там и в помине нет. Если на вашем пути поставить какое-либо препятствие, вы в лепешку расшибетесь, но обогнуть его не сможете. Зато на такой линии уже можно определить нахождение объекта по одной координате.

Итак, представьте, что на отрезке все-таки возникло препятствие, как его обойти? Логично, что нужно добавить еще одно измерение, ибо в одном никак. Поэтому дорисовываем где-нибудь рядом с этой линией еще одну точку. Совместим ее с любой из двух других точек и получим двумерную систему координат. Теперь у нас есть два измерения – длина и ширина. Но для настоящего 3D-пространства нам все еще не хватает высоты.

Поэтому сейчас мы будем творить настоящую магию. Добавим еще одну точку и соединим ее с той, с которой соединяли предыдущую. Теперь мы можем двигаться как вперед и в сторону, так и вверх-вниз. Мы получили трехмерное пространство, в котором мы же с вами и живем. Ну и не забываем про время, конечно же.

Думаю, вы все уже задались вопросом: как это все вяжется с теорией струн? Скоро все поймете, мы же тут для чайников разжевываем, поэтому все по порядку.

Вам же понравилось рисовать? Поэтому давайте продолжим. Нарисуем двух человечков в двумерном пространстве. Назовем их Федор и Вадим. Мы с вами видим их такими:

Однако Федор и Вадим существуют в 2D-пространстве, поэтому они видят друг друга так:

А теперь нарисуем Федора сверху:

Как теперь Вадим будет видеть своего товарища? Вот так:

Из этого следует, что, как ни крути, эти ребята будут видеть друг друга как одномерные отрезки, но мы то с вами знаем, что оба они двумерны. Вы и так уже наверняка догадались, почему. Все из-за точки обзора. Мы с вами видим Федора как объект, имеющий длину и ширину, а Вадим недоумевает и говорит, что мы свихнулись, и перед нами простой отрезок с одним единственным измерением.

Тот факт, что Вадим живет на плоскости, попросту не позволяет ему даже представить, как по-настоящему выглядят объекты в его мире. И я уже не говорю о том, как сильно будет болеть его плоский мозг, пытаясь представить трехмерное изображение.

А сейчас попытайтесь представить, что в спокойную двуразмерную жизнь Федора и Вадима резко врывается некий 3D-объект, пересекающий их плоскость. Каким образом вы увидите это со стороны? Двумерные проекции сразу же изменятся и это будет похоже на брокколи в МРТ:

Что в этот момент будет с нашими героями? Сказать, что они очень удивятся такому развитию событий, ничего не сказать. Такого они даже представить себе не смогут. Для них везде начнут появляться отрезки, которые будут резко менять свою длину и положение. Вычислить длину или координаты этих объектов в двумерном мире будет просто невозможно.

Надеюсь, теперь вы немного въехали в то, что я пытаюсь вам здесь втереть. Мы живем в трехмерном мире и видим все объекты двумерными. Лишь тот факт, что они или мы перемещаемся в пространстве, позволяет нам говорить о том, что у всего есть объем. А теперь представьте, что в наш мир вторглось какое-то пятимерное существо.

Не ломайте голову, все равно у вас ничего не получится. Вы будете видеть его таким же двумерным, но с очень и очень странными свойствами. Потому что вместе с его перемещением в пространстве и времени вы не только обнаружите его объем, но и другие свойства, которые, плюс ко всему, будут постоянно меняться.

Сейчас вернемся к теории струн и попробуем вообразить себе объект, имеющий 10 измерений. Шучу, не будем мы это делать. Потому что, думаю, уже и так всем понятно, что это бессмысленно и бесполезно. Этот объект по сути должен существовать везде и нигде, всегда и никогда. Наш мозг попросту не способен этого представить.

Нечто подобное было описано в одном псевдонаучном фантастическом фильме под названием «Господин Никто». Там также затрагивается теория струн, и в очень киношной форме представляется то, каково это, жить сразу во всех десяти измерениях. В общем и целом, кино нудное, местами непонятное и не для всех. Но для базового, немного упрощенного и приукрашенного ознакомления с теорией струн сойдет.

Все же знакомы со схематическими изображениями, на которых массивные небесные тела искривляют пространство вокруг себя под действием гравитации? Так вот искривляется не только пространство, но и время. Это сильно влияет на то, как идет время в космосе, можете почитать. Но сейчас не об этом.

Сейчас вопрос стоит в том, куда именно гравитация искривляет пространство-время? Ответа на этот вопрос мы дать не можем, так как ни одним из существующих измерений описать этот процесс невозможно.

Время

С трехмерным пространством более ли менее разобрались, но не будем забывать и про время – четвертое измерение. Ведь нам же мало знать, «где». Для жизни в нашем мире обязательно нужно еще и «когда».

Так как время – это тоже координата, то всю временную линию можно описать как луч. Вспоминайте школьный курс математики, что такое луч? Это линия, имеющая начало, но не имеющая конца. Время движется только вперед, и никак иначе. Реально лишь настоящее, и ни будущего, ни прошлого по сути вообще не существует.

Однако теория относительности может с этим поспорить. Она говорит о том, что время – такое же измерение, как и остальные три. А значит, все, что было, есть и будет, одинаково реально. Все относительно и зависит лишь от нашего восприятия. С точки зрения времени, человечество выглядит как-то так:

Однако мы видим лишь определенную проекцию времени, небольшой его отрезок. И в каждый отдельный момент он будет различным. Чувствуете, где-то мы уже видели один и тот же объект по-разному в зависимости от его положения? То самое брокколи в МРТ.

Даже теория струн придерживается того, что временное измерение только одно. Все остальные пространственные. Но почему пространство такое гибкое, а время лишь одно? Ответа на этот вопрос сейчас нет. Вы уже и сами поняли, как трудно представить несколько лишних пространственных измерений, поэтому даже подумать сложно, как могут ощущаться несколько временных. Некоторые ученые, как, например, Ицхак Барс, американский астрофизик, считают, что главной проблемой несостыковок в теории суперструн является как раз-таки игнорирование нескольких временных измерений. Давайте устроим себе разминку для ума и попробуем представить хотя бы два времени. После нескольких страниц мозговыносящего текста устраивать разминку для ума будет сложно, понимаю, но это интересно.

Оба временных измерения должны существовать отдельно друг от друга. Таким образом, если поменять положение объекта в одной из размерностей, его координаты в другой вполне могут остаться неизменными. То есть, если одно временное измерение пересечется с другим в определенной точке, то время в ней остановится вовсе. Наглядную картину этого показывает нам Нео из матрицы:

По сути наш избранный просто поставил временную ось своей ладони перпендикулярно такой же оси летящих пуль. И все, время остановилось. На деле же все не так просто.

Как вообще будет идти время в такой Вселенной? Исходя из логики, хотя, говоря о Теории Всего логику вообще лучше не упоминать, одно событие должно происходить два раза… одновременно… в разных точках пространства и времени… не пересекаясь… Да, это сложно. Вы все еще можете пойти поиграть в Dark Souls на банане. Если по-простому, то вы будете жить одновременно в двух отрезках времени (на этом строится вся суть фильма «Господин Никто», о котором я упоминал в начале).

Как вообще 2D-пространство отличается от одномерного? Вы уже знаете, мы говорили об этом чуть выше: возможностью обходить препятствия. В двумерном пространстве можно двигаться как вверх-вниз, так и вперед-назад, даже по диагонали. Представьте себе любую игру-платформер, как, например, Mario, и вспомните, в каких направлениях вы могли там двигаться. В одномерном же пространстве мы можем двигаться только вперед или назад.

Со временем все то же самое. Отличие одномерного времени от одномерного пространства лишь в том, что это луч, а не отрезок. И движется он только вперед, а значит назад во времени мы идти не можем. А что с двумерным временем? Не знаю, может вы можете представить, каково это, пересекать время по диагонали?

Струны

Если вы до сих пор это читаете, то наверняка уже много раз задавались вопросом, когда уже будет что-нибудь про струны. Хоть мое объяснение и для чайников, это все же объяснение. Просто рассказать, что такое струны, было бы неправильно, да и теория в основном базируется именно на измерениях. И, чтобы наконец добраться до струн, нам придется хотя бы попытаться представить эти измерения.

О первых четырех вы уже имеете представление. Грубо говоря, первые три измерения, это некая точка в четвертом. А точка, как известно, измерений не имеет. То есть с точки зрения времени, вы и весь сегодняшний день – лишь точка на временном луче.

Что есть пятое измерение? Аналогично тому, как мы сворачиваем условно двумерный лист бумаги, чтобы придать ему объем (то есть третье измерение), нам придется «согнуть» четвертое, чтобы получить пятое. Да, нам нужно согнуть время, а вместе с ним, естественно и наше трехмерное пространство, ведь одно без другого никуда. Делаем мы это для того, чтобы свести две временные точки вместе. Путешествие во времени, скажете вы – пятое измерение, отвечу я. По сути мы просто помещаем наше одномерное время на двумерную временную плоскость.

Таким образом у нас получается два отрезка в пятом измерении, в которых живет наш избранный Нео. Об этом мы и говорили чуть выше, описывая двумерное время. Но как же нам перемещаться между этими отрезками, если мы живем в них одновременно? В пяти измерениях никак. Нужно снова согнуть нашу бумагу, чтобы отрезки соприкоснулись. Это шестое измерение. При этом все пять предыдущих измерений снова становятся лишь точкой в шестом. Если у вас еще не болит голова, идем дальше. Мы уже близко.

Возьмем несколько точек, существующих в шести измерениях, и сделаем из них прямую. Как вы уже догадались, это седьмое. По сути седьмое измерение – это набор параллельных Вселенных. Все они живут по разным законам, во всех их жизнь происходит по-разному. И та сущность, которая способна жить в семи измерениях, может существовать одновременно во всем этом многообразии миров.

Отобразим семимерную прямую на плоскости, получим восьмое измерение. А девятое содержит несколько таких плоскостей. Вот вы уже представили, какая вакханалия существует в семи измерениях. Теперь вообразите, что будет если такой мир, в котором множество миров, тоже не один. Это восьмое. А теперь возьмем всю эту матрешку, помножим бесконечность раз и получим девятое.

А теперь вообразите себе нечто, что существует во всех девяти измерениях одновременно. То есть девятимерные точки собираются в прямую, которая находится на какой-то плоскости – десятом измерении. И такие точки, состоящие из девяти измерений, образуют бесконечно длинную прямую, на бесконечно длинной плоскости. Эти линии тянутся в каждой точке пространства, в каждый момент времени во всех мирах. Начиная от Большого Взрыва, через время, через пространство, через все миры тянутся они – струны.

Источник

Видео

О чем теория струн? Самое простое и понятное объяснение.

Простым языком о теории струн

Теория струн | самое простое объяснение

▽ Теория струн (Как объяснить теорию струн простыми словами)

Теории Стивена Хокинга / М-теория описания Вселенной / Излучение Хокинга

Теория струн (ScienceClic)

Теория струн для чайников

Теория относительности Эйнштейна

💫Ахмедов Э. Современное представление о Вселенной: Теория Струн и М-теория.

Теория струн. Темная материя и Теория почти всего.

Что такое теория струн и может ли она открыть дверь в другие измерения

Теория струн — один из самых популярных и непонятных физических терминов. О том, что это такое, РБК Трендам рассказал физик Эмиль Ахмедов

Об эксперте: Эмиль Ахмедов, доктор физико-математических наук, исследователь в ИТЭФ, МФТИ и НИУ ВШЭ.

Почему обычное представление о частицах не совсем верно

Многие из нас, услышав словосочетание «элементарные частицы», представляют маленькие крупинки или шарики. При этом может казаться, что все объекты во Вселенной складывается из этих крупинок, как монолиты. Однако любые представления необходимо проверять независимым способом, и ученые после ряда экспериментов пришли к мнению, что элементарные частицы не всегда корректно представлять материальными точками. Это только математическая идеализация, которая подходит для описания определенного класса наблюдений. То есть не во всех экспериментах элементарные частицы похожи на какие-то маленькие шарики. Например, при достаточно высоких энергиях они иногда ведут себя, как волны. Кроме того, исследователи поняли, что их длина связана с переносимой ими энергией: чем выше энергия, тем короче длина волны.

Частицы действительно выглядят как струны?

Заряженные частицы получают в ускорителе частиц. Чем больше становится энергия частиц при столкновении в нем, тем значительнее уменьшаются расстояния, которые мы можем на нем «прощупать». На ускорителях физики и проверяют свои умозрительные заключения. Теория струн предсказывает, что если провести эксперимент при еще более высоких энергиях (намного больше, чем те огромные энергии, что реализуются на современных коллайдерах), то каждая элементарная частица будет вести себя как двумерная вселенная, которая в заданный момент времени похожа на струну или очень тонкую резинку. И только с больших расстояний такая струна выглядит, как точка.

Согласно теории струн, в каждой одномерной вселенной (внутри каждой отдельной элементарной частицы) живет один и тот же мир. Но разные состояния теории отвечают разным типам элементарных частиц. Ситуация аналогична той, что возникает в случае с гитарной струной: если ее дернуть, возникнет стоячая волна.

Тогда первая мода (когда между зажимами умещается одна полуволна) может отвечать, например, фотону. А вторая (когда между зажимами умещается две полуволны или целая длина волны) может отвечать какой-то другой элементарной частице: например, электрону. При этом стоит подчеркнуть, что теория струн пока не подтверждена экспериментально.

Как появилась теория струн

Ученые наблюдали за столкновениями частиц на ускорителях и заметили, что в результате реакций возникали целые семьи частиц. Все выглядело так, будто различные разные частицы внутри одной семьи вели себя, как различные гармоники струны. Одним из первых придал этому наблюдению математическую форму итальянский физик Габриэле Венециано. Тогда, в 1960-х годах, исследователи пытались найти теорию, которая бы точно предсказывала спектр масс частиц в обсуждаемых семьях. К сожалению, полного сходства с реальностью не получалось.

Однако ученые заметили, что в спектре струны возникали частицы, которые имели те же свойства, что и фотоны (в случае открытой струны), и гравитоны (в случае замкнутой струны). Так и возникла идея попробовать применить создаваемую теорию для описания гравитации и других фундаментальных теорий, а не к описанию поведения адронов — частиц, возникающих в ядерных реакциях. Здесь основной вклад внесли такие физики как Джон Шварц, Эдвард Виттен, Жоэль Шерк и Александр Поляков.

Как теория струн стала «теорией всего»

Где-то к началу 1980-х ученые поняли, что теория струн, изначально придуманная для описания взаимодействий адронов, имеет более фундаментальный характер. Тогда и началась так называемая «струнная революция». Около 20 лет эта концепция была основным локомотивом развития фундаментальной физики. Существовала надежда, что она объяснит не только природу всех элементарных частиц, но и размерность того пространства-времени, в котором мы живем. Важно также, что появлялся единый общий взгляд на все существующие типы частиц. Однако не все чаяния оправдались, поэтому где-то в 2000-х годах интерес к теории струн начал угасать, и сейчас ажиотаж стих. Тем не менее, теория струн обогатила физику и математику методами вычисления, новыми фактами и формулами.

Теория струн правда предсказывает дополнительные измерения в пространстве-времени?

Теория суперструн может быть сформулирована логически непротиворечиво только в 10 измерениях — в 9 пространственных и одном временном. Наш же мир является четырехмерным. Кажущееся противоречие в рамках теории струн объясняется тем, что каждая точка нашего трехмерного пространства имеет структуру, которую можно увидеть, только если смотреть в очень мощный микроскоп. А именно: заметить дополнительные измерения можно только, если рассеивать элементарные частицы на ускорителях при очень высоких энергиях.

В чем недостаток теории струн

Главная проблема с теорией струн заключается в том, что она предсказывает (наряду со всеми элементарными частицами, которые мы уже видим в экспериментах) целый ряд других частиц, которых мы не наблюдаем. Пока не удается объяснить, куда деваются лишние частицы.

Кроме того, революция в теории струн во многом была основана на маркетинге, а не на поиске истины. Этот факт вызывал у остального научного сообщества крайне негативную реакцию. При этом и Стандартная модель, и Бозон Хиггса, в частности, вокруг которых тоже было много шума, отличаются от теории струн простым фактом: их существование было доказано экспериментально. Однако стоит подчеркнуть, что несмотря ни на что, теория струн прекрасна во многих своих математических проявлениях. В ее основе лежат красивые математические методы и ее конструктивная часть безусловно останется среди достижений фундаментальной науки.

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

Почему физики считают, что теория струн может оказаться «теорией всего» / Хабр

В основе теории струн лежит идея о том, что вместо нульмерных элементарных частиц Вселенная состоит из одномерных струн

Теория струн – одна из самых гениальных, противоречивых и недоказанных идей физики. В её основе лежит физический тренд, живущий много столетий – что на некоем фундаментальном уровне все различные силы, частицы, взаимодействия и проявления реальности связываются вместе как разные части одной платформы. Вместо четырёх независимых фундаментальных взаимодействий – сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного – есть одна объединённая теория, охватывающая их всех.

Во многих смыслах, теория струн – лучший кандидат на квантовую теорию гравитации, объединяющую взаимодействия на высочайших уровнях энергий. И хотя тому нет экспериментальных подтверждений, существуют убедительные теоретические причины считать, что это так и есть. В 2015 году крупнейший из живущих специалистов по теории струн, Эдвард Виттен, написал работу о том, что каждый физик должен знать о теории струн. И вот, что она означает – даже если вы не физик.

Разница между стандартными взаимодействиями квантовой теории поля (слева) для точечных частиц и взаимодействиями в теории струн (справа) для закрытых струн.

Удивительно, как иногда много общего встречается в законах природы, касающихся вроде бы не связанных между собой явлений. Математические структуры таких явлений часто очень похожи, а иногда даже идентичны. Притяжение двух массивных тел по законам Ньютона практически идентично притяжению/отталкиванию электрически заряженных частиц. Колебания маятника полностью аналогичны движению массы на пружине или планеты вокруг звезды. Гравитационные волны, волны на воде, световые волны – все они обладают удивительно похожими свойствами, несмотря на то, что происходит из фундаментально различных физических источников. И в том же ключе, хотя многие этого не осознают, квантовая теория одной частицы и подход к квантовой теории гравитации также аналогичны друг другу.

Диаграмма Фейнмана, представляющая рассеяние двух электронов – для этого требуется суммировать все возможные истории взаимодействий частиц

Работает квантовая теория поля так: берём частицу и производим математическое «суммирование всех её историй». Нельзя просто подсчитать, где была частица, и где она сейчас, и как она туда попала – поскольку в природе существует внутренняя и фундаментальная квантовая неопределённость. Вместо этого мы суммируем все возможные способы, которыми она могла прибыть в текущее состояние («прошлая история»), с соответствующими вероятностными весами, а потом подсчитываем квантовое состояние одной частицы.

Чтобы работать с гравитацией, а не с квантовыми частицами, нужно кое-что немного поменять. Поскольку Общая теория относительности Эйнштейна связана не с частицами, а с кривизной пространства-времени, мы не будем усреднять все возможные истории частицы. Вместо этого мы усредняем все возможные геометрии пространства-времени.

Гравитация по правилам Эйнштейна и всё остальное (сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия) по правилам квантовой физики – это два разных набора законов, управляющих всем во Вселенной.

Работать в трёх пространственных измерениях очень тяжело, и когда мы встречаемся со сложной физической проблемой, мы часто пытаемся решить сначала более простую её версию. Если спуститься на одно измерение, всё станет проще. Единственные из возможных одномерных поверхностей – это открытая струна, с двумя отдельными концами, не связанными друг с другом, или закрытая струна, концы которой соединены и формируют петлю. Кроме того, кривизна пространства – очень сложная в трёх измерениях – становится тривиальным вопросом. Поэтому, если мы хотим добавить материю, мы используем набор скалярных полей (точно так же, как для определённого рода частиц) и космологическую константу (работающую точно как член уравнения, отвечающий за массу): прекрасная аналогия.

Дополнительные степени свободы, которая получает частица в нескольких измерениях, не играют особенной роли; пока мы можем определить вектор импульса, это остаётся главным измерением. Поэтому в одном измерении квантовая гравитация выглядит так же, как свободная квантовая частица в любом произвольном количестве измерений.

Граф с вершинами, где сходятся по три ребра – ключевой компонент построения интеграла по траектории, относящегося к одномерной квантовой гравитации

Следующий шаг – включить взаимодействия, и перейти от свободной частицы без амплитуд рассеяния или эффективных поперечных сечений к той, что может иметь физическую роль, связанную со Вселенной. Графы, похожие на приведённый выше, позволяют нам описывать физическую концепцию действия в квантовой гравитации. Если записать все возможные комбинации подобных графов и провести суммирование по ним – применяя те же законы, что и обычно, например, закон сохранения импульса – мы можем завершить аналогию. Квантовая гравитация в одном измерении очень похожа на взаимодействие одной частицы в любом числе измерений.

Вероятность обнаружить квантовую частицу в каком-то определённом месте никогда не равняется 100%; вероятность распределяется по пространству и по времени.

Следующий шаг – перейти от одного пространственного измерения в 3+1 измерения: туда, где у Вселенной есть три пространственных и одно временное измерение. Но этот теоретический «апгрейд» для гравитации может оказаться очень сложным. Можно найти другой подход, если мы решим работать в противоположном направлении.

Вместо подсчёта поведения одной частицы (нульмерной сущности) в любом количестве измерений, возможно, мы могли бы подсчитать поведение струны, открытой или закрытой (одномерной сущности). А исходя из этого уже поискать аналогии к более полной теории квантовой гравитации в более реалистичном количестве измерений.

Диаграммы Фейнмана (вверху) основаны на точечных частицах и их взаимодействиях. Превратив их в аналоги для теории струн (внизу), мы получим поверхности, способные обладать нетривиальной кривизной.

Вместо точек и взаимодействий мы сразу начинаем работать с поверхностями, мембранами, и так далее. Получив настоящую многомерную поверхность, мы можем искривить её нетривиальными способами. Мы начинаем наблюдать у неё очень интересное поведение; такое, которое может находиться в основе кривизны пространства-времени, наблюдаемого во Вселенной в рамках ОТО.

Но хотя одномерная квантовая гравитация даёт нам квантовую теорию поля для частиц в возможно искривлённом пространстве-времени, сама по себе она не описывает гравитацию. Чего не хватает в этой головоломке? Нет соответствия между операторами, или функциями, представляющими квантово-механические взаимодействия и свойства, а также состояния, то есть, как частицы и их свойства изменяются со временем. Это соответствие «операторов-состояний» было необходимым, но недостающим ингредиентом.

Но если перейти от точечных частиц к струнным сущностям, это соответствие проявляется.

Деформирование метрики пространства-времени можно представить флуктуацией (‘p’), а если применить её к струнной аналогии, она будет описывать флуктуацию пространства-времени и соответствовать квантовому состоянию струны.

При переходе от частиц к струнам появляется реальное соответствие операторов-состояний. Флуктуация в метрике пространства-времени (то есть, оператор) автоматически представляет состояние в квантово-механическом описании свойств струны. Поэтому квантовую теорию гравитации в пространстве-времени можно создать на основе теории струн.

Но это не всё, что мы получим: мы также получим квантовую гравитацию, объединённую с другими частицами и взаимодействиями в пространстве-времени, с теми, что соответствуют другим операторам струны в теории поля. Также существует оператор, описывающий флуктуации геометрии пространства-времени, а ещё один – для квантовых состояний струны. Самое интересное в теории струн то, что она способна дать нам рабочую квантовую теорию гравитации.

Брайан Грин делает презентацию по теории струн

Всё это не означает, что вопрос решён, и что теория струн – это путь к квантовой гравитации. Великая надежда теории струн состоит в том, что эти аналогии смогут удержаться на всех масштабах, и что появится недвусмысленное соответствие типа «один к одному» струнной картины мира и Вселенной, которую мы наблюдаем вокруг нас.

Пока что картина мира со струнами и суперструнами непротиворечива лишь в нескольких наборах измерений, и наиболее многообещающий из них не даёт нам четырёхмерной гравитации Эйнштейна, описывающей нашу Вселенную. Вместо этого мы обнаруживаем 10-мерную теорию гравитации Бранса — Дикке. Чтобы восстановить гравитацию, имеющуюся в нашей Вселенной, необходимо «избавиться» от шести измерений и устремить константу связи ω к бесконечности.

Если вы слышали термин «компактификация» в приложении к теории струн – это просто слово, обозначающее, что мы должны разгадать эти загадки. Пока что многие люди предполагают существование полного и убедительного решения, подходящего для компактификации. Но вопрос того, как получить Эйнштейновскую гравитацию и 3+1 измерения из 10-мерной теории, остаётся открытым.

Двумерная проекция многообразия Калаби-Яу, одного из популярных методов компактификации дополнительных, ненужных измерений теории струн

Теория струн предлагает путь к квантовой гравитации, с которым могут сравниться немногие альтернативы. Если сделать разумные выводы по поводу того, как работает математика, мы сможем получить из неё как ОТО, так и Стандартную модель. На сегодня это единственная идея, которая даёт нам это – поэтому за ней так отчаянно гонятся. Неважно, выступаете ли вы за успех теории струн или за провал, или как вы относитесь к отсутствию проверяемых предсказаний, она, без сомнения, остаётся одной из наиболее активных областей исследования теоретической физики. По сути, теория струн выделяется, как лидирующая идея среди мечтаний физиков об окончательной теории.

Теория струн встречается с петлевой квантовой гравитацией / Хабр

Два кандидата на «теорию всего», долгое время считавшиеся несовместимыми, могут оказаться двумя сторонами одной медали.

Восемьдесят лет прошло с тех пор, как физики поняли, что теории квантовой механики и гравитации несовместимы, и загадка их комбинирования остаётся неразрешённой. За последние десятилетия исследователи изучали эту задачу двумя разными путями – через теорию струн и через квантовую гравитацию – которые практикующие их учёные считают несовместимыми. Но некоторые учёные доказывают, что для продвижения необходимо объединить усилия.

Среди попыток объединения квантовой теории и гравитации больше всего внимания привлекла теория струн. Её предпосылка проста: всё состоит из маленьких струн. Струны могут быть замкнуты или разомкнуты; они могут вибрировать, растягиваться, объединяться или распадаться. И в этом многообразии лежат объяснения всех наблюдаемых явлений, включая материю и пространство-время.

Петлевая квантовая гравитация (ПКГ), наоборот, придаёт меньше значения материи, присутствующей в пространстве-времени, и больше концентрируется на свойствах самого пространства-времени. В теории ПКГ пространство-время – это сеть. Плавный фон теории гравитации Эйнштейна заменяется узлами и звеньями, которым назначаются квантовые свойства. Таким образом, пространство состоит из отдельных кусочков. ПКГ в основном занимается изучением этих кусочков.

Этот подход долгое время считался несовместимым с теорией струн. В самом деле, их различия очевидны и глубоки. Для начала, ПКГ изучает кусочки пространства-времени, а теория струн исследует поведения объектов в пространстве-времени. Эти области разделяют и технические проблемы. Теории струн необходимо, чтобы в пространстве было 10 измерений; ПКГ в высших измерениях не работает. Теория струн предполагает наличие суперсимметрии, в которой у всех частиц есть пока не обнаруженные партнёры. Суперсимметрия не свойственна ПКГ.


Эти и другие различия разбили сообщество физиков-теоретиков на два лагеря. «Конференции разделяются, — говорит Дордж Пуллин, физик из Университета штата Луизиана и соавтор учебника по ПКГ. – Петлевики ездят на петлевые конфы, струнники – на струнные. Они теперь даже не ездят на конференции по „физике“. Я думаю, что это весьма прискорбно».

Но некоторые факторы могут сдвинуть эти лагеря поближе. Новые теоретические открытия выявили возможные сходства между ПКГ и теорией струн. Новое поколение струнных теоретиков вышло за пределы струнной теории и начало поиски методов и инструментов, могущих оказаться полезными для создания «теории всего». И недавний парадокс с потерей информации в чёрных дырах заставил всех почувствовать себя скромнее.

Более того, в отсутствие экспериментальных подтверждений струнной теории или ПКГ, математическое доказательство того, что они являются двумя сторонами одной монеты, послужило бы доводом в пользу того, что физики в поисках «теории всего» движутся в верном направлении. Комбинация ПКГ и струнной теории сделала бы новую теорию единственной.

Неожиданная связь


Попытки решить некоторые проблемы ПКГ привели к первой неожиданной связи с теорией струн. У изучающих ПКГ физиков нет чёткого понимания того, как перейти от кусочков сети пространства-времени к крупномасштабному описанию пространства-времени, совпадающему с ОТО Эйнштейна – нашей лучшей теорией гравитации. Более того, их теория не может примириться с тем особым случаем, в котором гравитацией можно пренебречь. Это проблема, подстерегающая любую попытку использования пространства-времени по кусочкам: в СТО линейные размеры объекта уменьшаются в зависимости от движения наблюдателя относительно объекта. Сжатие также влияет и на размер кусочков пространства-времени, которые воспринимаются по-разному наблюдателями, движущимися на разных скоростях. Это расхождение приводит к проблемам с центральным принципом теории Эйнштейна – что законы физики не зависят от скорости наблюдателя.

«Сложно вводить дискретные структуры, не испытывая проблем с СТО»,- говорит Пуллин. В своей работе, написанной в 2014 году с коллегой Рудольфо Гамбини, физиком из Республиканского университета Уругвая в Монтевидео, Пуллин пишет, что приведение ПКГ в соответствие с СТО неизбежно влечёт за собой появление взаимодействий, похожих на присутствующие в теории струн.

То, что у этих двух подходов есть что-то общее, казалось Пуллину вероятным со времён плодотворного открытия, сделанного в конце 1990-з Хуаном Малцаденой, физиком из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. Малцадена в антидеситтеровском пространстве-времени (AdS) привёл в соответствие теорию гравитации и конформную теорию поля (CFT) на границе пространства-времени. Используя подход AdS/CFT, теорию гравитации можно описать при помощи более понятной теории поля.

Полная версия дуализма пока является гипотезой, но у неё есть хорошо разобранный ограничивающий случай, к которому не имеет отношения теория струн. Из-за того, что струны в этом случае не играют роли, его можно использовать в любой теории квантовой гравитации. Пуллину видится здесь точка соприкосновения.

ПКГ в представлении художника

Герман Верлинде, физик-теоретик из Принстонского университета, частенько работающий с теорией струн, считает правдоподобным то, что методы ПКГ могут пролить свет на гравитационную сторону дуализма. В недавней работе он описал упрощённую модель AdS/CFT в двух измерениях для пространства и одного для времени, или, как говорят физики, в случае «2+1». Он обнаружил, что пространство AdS можно описать при помощи таких сетей, что используются в ПКГ. Несмотря на то, что вся конструкция пока работает в «2+1», она предлагает новый взгляд на гравитацию. Верлинде надеется обобщить модель для большего количества измерений. «На ПКГ смотрели слишком узко. Мой подход включает и другие области. В интеллектуальном смысле это взгляд в будущее»,- сказал он.

Но даже если удастся скомбинировать методы ПКГ и струнной теории, чтобы продвинуться вперёд с пространством AdS, останется вопрос: насколько такая комбинация окажется полезной? У пространства AdS космологическая константа отрицательная (это число описывает геометрию Вселенной на больших масштабах), а у нашей Вселенной – положительная. Мы не живём в математической конструкции, описываемой пространством AdS.

Подход Верлинде прагматичен. «Например, для положительной космологической константы нам может понадобиться новая теория. Тогда вопрос в том, насколько она будет отличаться от этой. AdS пока – наилучший намёк на искомую структуру, и нам нужно совершить какой-то трюк, чтобы прийти к положительной константе». Он считает, что учёные не теряют время с этой теорией зря: «Хотя AdS и не описывает наш мир, она даст нам уроки, которые поведут нас в нужном направлении».

Объединение на территории чёрной дыры


Верлинде и Пуллин указывают на ещё одну возможность объединения сообществ струнной теории и ПКГ: загадочная судьба информации, попадающей в чёрную дыру. В 2012 году четверо исследователей из Калифорнийского университета обратили внимание на противоречие в господствующей теории. Они утверждали, что если чёрная дыра позволит информации убегать из неё, это уничтожит тонкую структуру пустого пространства вокруг горизонта чёрной дыры, и создаст высокоэнергетический барьер – «файервол». Но такой барьер несовместим с принципом эквивалентности, лежащим в основе ОТО, утверждающим, что наблюдатель не может сказать, пересёк ли он горизонт. Эта несовместимость внесла возмущение в ряды струнных теоретиков, считавших, что понимают связь чёрных дыр с информацией, и вынужденных снова схватиться за свои записные книжки.

Но эта проблема важна не только для струнных теоретиков. «Весь этот спор вокруг файерволов вёлся в основном в сообществе струнных теоретиков, чего я не понимаю,- сказал Верлинде. – Вопросы квантовой информации, запутанности и постройки математического Гилбертова пространства – это то, над чем работали специалисты по ПКГ».

В это время произошло незамеченное большинством специалистов по струнам событие – падение барьера, возведённого суперсимметрией и дополнительными измерениями. Группа Томаса Тиманна [Thomas Thiemann] в Университете Эрлангена — Нюрнберга (Германия) распространила ПКГ на высшие измерения и включила в неё суперсимметрию – а эти понятия раньше были территорией исключительно теории струн.

Недавно Норберт Бодендорфер [Norbert Bodendorfer], бывший студент Тиманна, работающий в Варшавском университете, применил методы петлевой квантификации из ПКГ к пространству AdS. Он утверждает, что ПКГ полезно для работы с дуальностью AdS/CFT в тех случаях, когда струнные теоретики не могут проводить гравитационные подсчёты. Бодендорфер считает, что существовавшая между ПКГ и струнами пропасть исчезает. «Иногда у меня складывалось впечатление, что струнные теоретики очень плохо разбираются в ПКГ и не хотят говорить об этом,- сказал он. – Но более молодые специалисты демонстрируют открытость взглядов. Им очень интересно, что происходит на стыке областей».

«Самое большое различие состоит в том, как мы определяем наши вопросы,- говорит Верлинде. – Проблема больше социологическая, а не научная, к сожалению». Он не думает, что два подхода конфликтуют: «Я всегда считал струнную теорию и ПКГ частями одного описания. ПКГ это метод, а не теория. Это метод размышления над квантовой механикой и геометрией. Это метод, который струнные теоретики могут использовать, и уже используют. Эти вещи не исключают друг друга».

Но не все уверены в этом Моше Розали [Moshe Rozali], струнный теоретик из Университета Британской Колумбии, сохраняет скептицизм по поводу ПКГ: «Я не работаю над ПКГ потому, что у неё есть проблемы с СТО,- говорит он. – Если ваш подход с самого начала без уважения относится к симметриям в СТО, вам потребуется чудо на одном из промежуточных шагов». Тем не менее, по словам Розали, некоторые математические инструменты, пришедшие из ПКГ, могут пригодиться. «Не думаю, что существует возможность объединения ПКГ и струнной теории. Но людям обычно нужны методы, и в этом смысле они похожи. Математические методы могут пересекаться».

Также и не все приверженцы ПКГ ждут слияния двух теорий. Карло Ровелли, физик из Марсельского университета и основатель теории ПКГ верит в преобладание своей теории. «Сообщество любителей струн уже не такое заносчивое, как десять лет назад, особенно после жестокого разочарования отсутствием суперсимметричных частиц,- говорит он. – Возможно, что две теории могут быть частями одного решения… но я думаю, вряд ли. По-моему, струнная теория не смогла дать то, что она обещала в 80-х годах, и представляет собою одну из тех идей, что выглядят симпатично, но не описывают реальный мир, которых в истории науки было полно. Не понимаю, как люди ещё могут возлагать на неё надежды».

Пуллин же считает, что объявлять победу преждевременно: «Приверженцы ПКГ говорят, что их теория единственно верна. Я под этим не подпишусь. Мне кажется, что обе теории чрезвычайно неполны».

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 недостатками. «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: community@space. com.

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
Ёитиро Намбу
Брайан Грин
Эдвард Виттен
Похожие темы:
брана
суперсимметрия
фотино
глюино
гравитино

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.

Тест «Британника»

Тест «Все о физике»

Кто был первым ученым, проведшим эксперимент с управляемой цепной ядерной реакцией? Какова единица измерения циклов в секунду? Проверьте свою физику с помощью этого теста.

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. Эта точка зрения подкреплялась тем, что теория струн страдает от собственных теоретических проблем. Во-первых, некоторые из ее уравнений демонстрировали признаки непоследовательности; с другой стороны, математика теории требовала, чтобы Вселенная имела не только три пространственных измерения обычного опыта, но и шесть других (всего девять пространственных измерений или всего десять пространственно-временных измерений).

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Почему теория струн все еще дает надежду, что мы сможем объединить физику | Наука

иллюстрация Джона Херси

В октябре 1984 года я прибыл в Оксфордский университет, волоча за собой большой пароходный чемодан с парой сменных вещей и примерно пятью дюжинами учебников. У меня была только что полученная степень бакалавра по физике в Гарварде, и мне не терпелось поступить в аспирантуру. Но через пару недель более продвинутые студенты высосали ветер из моих парусов. Меняйте поля сейчас, пока вы еще можете, говорили многие. В фундаментальной физике ничего не происходит.

Затем, всего пару месяцев спустя, в престижном (хотя и с неуклюжим названием) журнале Physics Letters B была опубликована статья, которая положила начало первой суперструнной революции, широкомасштабному движению, вдохновившему тысячи физиков во всем мире бросить свои исследования и перейти к преследовать долгожданную мечту Эйнштейна о единой теории. Поле было молодым, местность плодородной, а атмосфера наэлектризованной. Единственное, от чего мне нужно было избавиться, так это от неофитского запрета работать с ведущими мировыми физиками. Я сделал. То, что последовало за этим, оказалось самой захватывающей интеллектуальной одиссеей в моей жизни.

Это было 30 лет назад в этом месяце, поэтому настал момент для подведения итогов: раскрывает ли теория струн глубинные законы реальности? Или, как заявляют некоторые недоброжелатели, это математический мираж, который сбил с пути целое поколение физиков?

***

Объединение стало синонимом Эйнштейна, но на протяжении веков это предприятие было сердцем современной физики. Исаак Ньютон объединил небеса и Землю, открыв, что одни и те же законы, управляющие движением планет и Луны, описывают траекторию прялки и катящегося камня. Примерно 200 лет спустя Джеймс Клерк Максвелл принял эстафету объединения для следующего этапа, показав, что электричество и магнетизм — это два аспекта единой силы, описываемой единым математическим формализмом.

Следующие два шага, причем большие, действительно были в духе классического Эйнштейна. В 1905 году Эйнштейн связал пространство и время, показав, что движение через одно влияет на прохождение через другое, что является отличительной чертой его специальной теории относительности. Десять лет спустя Эйнштейн расширил эти идеи своей общей теорией относительности, предоставив наиболее точное описание гравитации, силы, управляющей звездами и галактиками. Благодаря этим достижениям Эйнштейн предвидел, что великий синтез всех сил природы находится в пределах досягаемости.

Обнаружит ли ускоритель протонов ATLAS на Большом адронном коллайдере признаки струн?

Функции Rex через изображения AP

Но к 1930 году ландшафт физики основательно изменился. Нильс Бор и целое поколение бесстрашных исследователей отправились вглубь микромира, где столкнулись с квантовой механикой, загадочной теорией, сформулированной с использованием радикально новых физических концепций и математических правил. Хотя квантовые законы с поразительным успехом предсказывали поведение атомов и субатомных частиц, они косо смотрели на эйнштейновскую формулировку гравитации. Это подготовило почву для более чем полувекового отчаяния, когда физики доблестно боролись, но неоднократно терпели неудачу, чтобы объединить общую теорию относительности и квантовую механику, законы большого и малого, в единое всеобъемлющее описание.

Так было до декабря 1984 года, когда Джон Шварц из Калифорнийского технологического института и Майкл Грин из Колледжа королевы Марии опубликовали статью, выходящую раз в поколение, в которой показано, что теория струн может преодолеть математический антагонизм. между общей теорией относительности и квантовой механикой, расчищая путь, который, казалось, был предназначен для достижения единой теории.

Идея, лежащая в основе объединения строк, столь же проста, сколь и соблазнительна. С начала 20-го века фундаментальные составляющие природы моделировались как неделимые частицы — наиболее известные из них — электроны, кварки и нейтрино — которые можно изобразить как бесконечно малые точки, лишенные внутреннего механизма. Теория струн бросает вызов этому, предполагая, что в основе каждой частицы лежит крошечная вибрирующая нить, похожая на струну. И, согласно теории, различия между одной частицей и другой — их массы, электрические заряды и, что более эзотерически, их спиновые и ядерные свойства — возникают из-за различий в том, как вибрируют их внутренние струны.

Подобно тому, как звучные тона виолончели возникают из вибраций струн инструмента, коллекция природных частиц возникает из вибраций крошечных нитей, описанных теорией струн. Длинный список разрозненных частиц, обнаруженных за столетие экспериментов, будет преобразован в гармоничные «ноты», составляющие партитуру природы.

Самое приятное, что математика показала, что одна из этих банкнот обладает свойствами, в точности соответствующими свойствам «гравитона», гипотетической частицы, которая, согласно квантовой физике, должна переносить силу гравитации из одного места в другое. При этом мировое сообщество физиков-теоретиков оторвалось от своих расчетов. Впервые гравитация и квантовая механика играли по одним и тем же правилам. По крайней мере, в теории.

***

Я начал изучать математические основы теории струн в напряженный период весной и летом 1985 года. Я был не один. Как аспиранты, так и опытные преподаватели были увлечены тем, что теория струн могла стать тем, что некоторые называли «окончательной теорией» или «теорией всего». В переполненных аудиториях для семинаров и разговорах в пролетных коридорах физики предвкушали венчание нового порядка.

Но самый простой и важный вопрос вырисовывался передо мной. Верна ли теория струн? Объясняет ли математика нашу Вселенную? Описание, которое я дал, предполагает экспериментальную стратегию. Изучите частицы, и если вы увидите маленькие вибрирующие струны, все готово. В принципе, это хорошая идея, но пионеры теории струн поняли, что на практике она бесполезна. Математика подсчитала, что размер струн примерно в миллион миллиардов раз меньше, чем даже мельчайшие сферы, которые исследуют самые мощные в мире ускорители. За исключением создания коллайдера размером с галактику, струны, если они настоящие, ускользнули бы от обнаружения методом грубой силы.

Делая ситуацию еще более ужасной, исследователи обнаружили замечательный, но загадочный математический факт. Уравнения теории струн требуют, чтобы Вселенная обладала дополнительными измерениями помимо трех повседневных измерений — левое/правое, обратное/вперед и верхнее/нижнее. Приняв математику близко к сердцу, исследователи поняли, что их спины были прижаты к стене. Разберитесь в дополнительных измерениях — предсказании, которое сильно расходится с тем, что мы воспринимаем, — или отбросьте теорию.

Теоретики струн ухватились за идею, впервые появившуюся в начале 20-го века. Тогда теоретики поняли, что может быть два типа пространственных измерений: большие и протяженные, которые мы непосредственно ощущаем, и другие, крошечные и туго закрученные, слишком маленькие, чтобы их можно было обнаружить даже с помощью самого совершенного оборудования. Точно так же, как пространственная протяженность огромного ковра очевидна, но вы должны опуститься на руки и колени, чтобы увидеть круговые петли, составляющие его ворс, вселенная может иметь три больших измерения, по которым мы все свободно перемещаемся, но она также может имеют дополнительные измерения, настолько крошечные, что они находятся за пределами досягаемости нашего наблюдения.

В статье, представленной для публикации на следующий день после Нового 1985 года, квартет физиков — Филип Канделас, Гэри Горовиц, Эндрю Строминджер и Эдвард Виттен — продвинули это предложение еще на шаг вперед, превратив порок в добродетель. Они утверждали, что предположение о том, что дополнительные измерения ничтожно малы, не только объясняет, почему мы их не видели, но также может дать недостающий мост для экспериментальной проверки.

Струны настолько малы, что при вибрации они колеблются не только в трех больших измерениях, но и в дополнительных крошечных. И точно так же, как вибрационные паттерны воздуха, проходящего через валторну, определяются поворотами инструмента, вибрационные паттерны струн определяются формой дополнительных измерений. Поскольку эти колебательные модели определяют свойства частиц, такие как масса, электрический заряд и т. д. — свойства, которые могут быть обнаружены экспериментально, — квартет установил, что, если вы знаете точную геометрию дополнительных измерений, вы можете делать предсказания относительно результатов, которые могут быть получены в некоторых экспериментах. наблюдать.

Для меня расшифровка уравнений статьи была одним из тех редких математических вылазок, граничащих с духовным просветлением. То, что геометрия скрытых пространственных измерений может быть Розеттским камнем Вселенной, воплощающим тайный код фундаментальных составляющих природы, — что ж, это была одна из самых прекрасных идей, с которыми я когда-либо сталкивался. Это также играло на мою силу. Будучи математически ориентированным студентом-физиком, я уже приложил немало усилий для изучения топологии и дифференциальной геометрии — тех самых инструментов, которые необходимы для анализа математической формы многомерных пространств.

Итак, в середине 1980-х годов с небольшой группой исследователей из Оксфорда мы нацелились на получение предсказаний теории струн. В статье квартета была очерчена категория пространств с дополнительными измерениями, допускаемых математикой теории струн, и, что примечательно, было известно лишь несколько форм-кандидатов. Мы выбрали тот, который показался нам наиболее многообещающим, и предприняли изнурительные дни и бессонные ночи, наполненные трудными вычислениями в геометрии высших измерений и подпитываемые грандиозными мыслями о раскрытии глубочайших механизмов природы.

Окончательные результаты, которые мы нашли, успешно включали в себя различные установленные особенности физики элементарных частиц и поэтому заслуживали внимания (и, для меня, докторской диссертации), но были далеки от подтверждения теории струн. Естественно, наша группа и многие другие вернулись к списку разрешенных форм, чтобы рассмотреть другие возможности. Но список уже не был коротким. За месяцы и годы исследователи открыли все большие наборы форм, которые прошли математическую проверку, доведя число кандидатов до тысяч, миллионов, миллиардов, а затем, с открытиями, появившимися в середине 1990-х годов Джо Полчински, в такие большие числа, что их никогда не называли.

В противовес этому смущению богатством теория струн не предлагала указаний относительно того, какую форму выбрать. И поскольку каждая форма будет по-разному влиять на колебания струн, каждая из них приведет к различным наблюдаемым последствиям. Мечта об извлечении уникальных предсказаний из теории струн быстро угасла.

С точки зрения связей с общественностью, теоретики струн не были готовы к такому развитию событий. Подобно олимпийскому спортсмену, который обещает восемь золотых медалей, но выигрывает «только» пять, теоретики постоянно устанавливали планку настолько высоко, насколько это возможно. То, что теория струн объединяет общую теорию относительности и квантовую механику, является огромным успехом. То, что он делает это в рамках, способных охватить известные частицы и силы, делает успех более чем теоретически значимым. Стремление пойти еще дальше и однозначно объяснить подробные свойства частиц и взаимодействий — это, безусловно, благородная цель, но она лежит далеко за чертой, отделяющей успех от неудачи.

Тем не менее, критики, недовольные стремительным взлетом теории струн к господству, воспользовались случаем, чтобы возвестить о гибели теории, затуманив искреннее разочарование исследователей по поводу того, что они не достигли священной земли, необоснованным утверждением, что подход потерпел крах. Какофония стала еще громче после спорного поворота, сформулированного наиболее убедительно одним из отцов-основателей теории струн, физиком-теоретиком из Стэнфордского университета Леонардом Сасскиндом.

***

В августе 2003 года я сидел с Сасскиндом на конференции в Сигтуне, Швеция, и обсуждал, действительно ли он верит в новую точку зрения, которую излагает, или просто пытается встряхнуть ситуацию. «Мне нравится шевелить кастрюлю, — сказал он мне шепотом, изображая уверенность, — но я действительно думаю, что это то, о чем говорит нам теория струн».

Сасскинд утверждал, что если математика не идентифицирует одну конкретную форму как подходящую для дополнительных измерений, возможно, не существует ни одной правильной формы. То есть, возможно, все формы являются правильными в том смысле, что существует множество вселенных, каждая из которых имеет свою форму дополнительных измерений.

Тогда наша Вселенная была бы всего лишь одной из огромной коллекции, каждая из которых имела бы подробные характеристики, определяемые формой их дополнительных измерений. Почему же тогда мы находимся в этой вселенной, а не в какой-либо другой? Потому что форма скрытых измерений дает спектр физических характеристик, которые позволяют нам существовать. В другой вселенной, например, другая форма могла бы сделать электрон немного тяжелее или ядерное взаимодействие немного ослабить, сдвиги, которые привели бы к остановке квантовых процессов, приводящих в действие звезды, включая наше Солнце, прервав неустанный марш к жизни на Земле. Земля.

Каким бы радикальным ни было это предположение, оно было поддержано параллельным развитием космологического мышления, которое предполагало, что Большой взрыв, возможно, не был уникальным событием, а вместо этого был одним из бесчисленных взрывов, породивших бесчисленное множество расширяющихся вселенных, называемых Мультивселенной. Сасскинд предполагал, что теория струн дополняет это грандиозное космологическое развитие, украшая каждую из вселенных мультивселенной различной формой дополнительных измерений.

С теорией струн или без нее, мультивселенная — весьма спорная схема, и вполне заслуженно. Он не только перекраивает ландшафт реальности, но и смещает научные цели. На вопросы, которые когда-то казались глубоко загадочными — почему числа природы, от массы частиц до сил взаимодействия и энергии, наполняющей пространство, имеют именно те значения, которые они имеют? Детальные особенности, которые мы наблюдаем, больше не были бы универсальными истинами; вместо этого они были бы локальными подзаконными актами, продиктованными особой формой дополнительных измерений в нашем уголке мультивселенной.

Большинство физиков, в том числе теоретики струн, согласны с тем, что Мультивселенная — это крайний вариант. Тем не менее, история науки также убедила нас не отвергать идеи только потому, что они противоречат ожиданиям. Если бы у нас была такая возможность, наша самая успешная теория, квантовая механика, описывающая реальность, управляемую совершенно особыми волнами вероятности, была бы похоронена в мусорном баке физики. Как сказал лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг, Вселенной нет дела до того, что делает физиков-теоретиков счастливыми.

***

Этой весной, после почти двухлетней модернизации, Большой адронный коллайдер с треском вернется к жизни, сталкивая протоны с почти вдвое большей энергией, чем в предыдущих запусках. Просеивая обломки с помощью самых сложных из когда-либо созданных детекторов, исследователи будут искать доказательства чего-либо, что не вписывается в испытанную в боях «Стандартную модель физики элементарных частиц», чье окончательное предсказание, бозон Хиггса, было подтверждено незадолго до этого. машина ушла на перерыв. Хотя вполне вероятно, что модернизированная машина все еще слишком слаба, чтобы видеть сами струны, она может дать подсказки, указывающие направление теории струн.

Многие исследователи связывают свои надежды с открытием нового класса так называемых «суперсимметричных» частиц, возникающих из строго упорядоченных математических уравнений теории струн. Сигналы других коллайдеров могут показывать намёки на внепространственные измерения или даже свидетельства существования микроскопических чёрных дыр — возможность, возникающая из-за экзотического подхода теории струн к гравитации на крошечных расстояниях.

Хотя ни одно из этих предсказаний нельзя с полным основанием назвать неопровержимым доказательством — их включают и различные неструнные теории, — положительная идентификация была бы наравне с открытием частицы Хиггса и, мягко говоря, установила бы мир физики в огне. Чаша весов склонится в сторону теории струн.

Но что произойдет в том случае (вероятно, по мнению некоторых), что коллайдер не даст ни отдаленно нитевидных сигнатур?

Экспериментальные данные являются окончательным арбитром правильного и неправильного, но ценность теории также оценивается по глубине влияния, которое она оказывает на смежные области. По этому показателю теория струн зашкаливает. Десятилетия анализа, наполнившие тысячи статей, оказали огромное влияние на широкий спектр исследований, охватывающих физику и математику. Возьмем, к примеру, черные дыры. Теория струн разрешила неприятную загадку, идентифицировав микроскопические носители их внутреннего беспорядка, особенности, обнаруженной в 19 веке.70-х Стивен Хокинг.

Оглядываясь назад, я рад тому, как далеко мы продвинулись, но разочарован тем, что связь с экспериментом все еще ускользает от нас. В то время как мои собственные исследования перешли от высокоматематических набегов на межпространственные тайны к более прикладным исследованиям космологических открытий теории струн, теперь я питаю лишь скромную надежду на то, что эта теория будет противостоять данным при моей жизни.

Несмотря на это, теория струн остается сильной. Его способность органично сочетать общую теорию относительности и квантовую механику остается главным достижением, но очарование еще глубже. В его величественной математической структуре прилежный исследователь найдет все лучшие идеи, тщательно разработанные физиками за последние несколько сотен лет. Трудно поверить, что такая глубина прозрения случайна.

Мне нравится думать, что Эйнштейн смотрел бы на путешествие теории струн и улыбался, наслаждаясь замечательными геометрическими особенностями теории, чувствуя родство с попутчиками на долгом и извилистом пути к объединению. Тем не менее, наука мощно самокорректируется. Если десятилетия пройдут без экспериментальной поддержки, я полагаю, что теория струн будет поглощена другими областями науки и математики и постепенно потеряет свою уникальную идентичность. Тем временем, безусловно, потребуются энергичные исследования и большая доза терпения. Если экспериментальное подтверждение теории струн не за горами, будущие поколения будут оглядываться на нашу эпоху как на время, когда у науки хватило смелости взрастить замечательную и сложную теорию, что привело к одному из самых глубоких шагов к пониманию реальности.

Примечание редактора: веб-заголовок был изменен, чтобы лучше отражать содержание статьи.

Рекомендуемые видео

Осмысление теории струн

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна дала физикам как лучшее понимание гравитации, так и новые вопросы, оставшиеся без ответа. Хотя это был новаторский подход, он не мог описать гравитацию как непротиворечивую квантовую теорию или теорию, которая успешно описывает все силы природы. До сих пор мечта Эйнштейна о том, чтобы связать гравитацию с электромагнетизмом, а также сильное и слабое ядерное взаимодействие в единую структуру, еще не реализована.

Двое ученых позже предложили идею, согласно которой гравитация и электромагнетизм могут возникнуть из одного и того же теоретического подхода, но только с дополнительными измерениями в уравнениях. Хотя их теория была слишком простой, чтобы полностью описать Вселенную, их идея «компактификации» измерений в конечном итоге стала основой исследований теории струн.

Физики из Пенсильванского университета опубликовали статью с «квадриллионом» решений теории струн, каждое из которых описывает гипотетическую вселенную с теми же частицами и фундаментальными силами, что и наша собственная. Penn Today встретилась с соавторами Мирьям Цветич, Лин Лин и Муян Лю, чтобы узнать больше о том, что означают эти решения, как физики используют крошечные струны для объяснения физических явлений и как область теоретической физики будет развиваться в будущем. .

 

Что, вообще говоря, представляет собой теория струн и как эта теория возникла?

Cvetic: Чтобы понять, как работает природа, мы хотим понять происхождение фундаментальных сил природы. И в этом контексте мы объясняем физику элементарных частиц с точки зрения квантово-механических явлений. Физика элементарных частиц согласуется с квантовой механикой, но у нас также есть теория гравитации, которую мы хотим описать в терминах квантовых явлений, и здесь все становится сложнее.

Лин: Похоже, у людей, которые изобрели гравитацию, был другой язык, чем у людей, которые изобрели квантовую механику.

Cvetic: Это основной мотив теории струн: изначально задуманная как описание сильного ядерного взаимодействия, люди поняли, что она позволяет квантовое описание гравитации. То, как мы идентифицируем квантовые частицы в теории струн, включая квантовые частицы гравитации, — это вибрации, возбуждения крошечных струн. Теория струн как непротиворечивая квантовая теория живет не в трех пространственных/одновременных измерениях, а в 10 измерениях. Итак, мы имеем дело с идеей компактификации шести дополнительных измерений, а именно уменьшения их до малых размеров. Хотя эти измерения невидимы для нас, они все же могут быть исследованы микроскопическими струнами и влиять на их поведение.

Но здесь есть побочный эффект: сокращение дополнительных измерений позволяет нам начать описывать физику элементарных частиц. Мы наблюдаем не только квантовую частицу гравитации, но и квантовую частицу, скажем, электромагнитных взаимодействий, которую мы называем фотоном.

В каком-то смысле вы скажете: «О, черт возьми, дополнительные измерения, вот в чем проблема», но эти дополнительные измерения также естественным образом порождают типы взаимодействий в четырех измерениях, отличные от гравитации, о которых мы не просили в начале. В зависимости от геометрических форм дополнительных измерений мы можем отождествить эти взаимодействия с другими силами природы, такими как электромагнетизм и ядерные силы.

В нашем нынешнем понимании эти силы описываются так называемой стандартной моделью физики элементарных частиц, но она не включает гравитацию. И именно здесь теория струн становится интересной областью исследований.

Каковы трудности окончательной реализации мечты Эйнштейна об объединении других сил с гравитацией?

Лин: Если подумать о музыке, это как если бы кто-то изобрел нотную запись, но на самом деле мы наблюдаем в эксперименте конкретное произведение. Проблема в том, что у нас нет хорошая система, которая позволяет нам записывать то, что мы наблюдаем в экспериментах, или, используя ту же аналогию, то, что мы слушаем в концертном зале, используя имеющуюся у нас систему.

Это похоже на то, как наши ноты могут различать полутоновые шаги, но есть и другая музыка, в которой интонационные приращения более тонкие. Таким образом, наши нынешние ноты никогда не смогут отразить это, и, если есть конкретная пьеса с такими изменениями, как мы можем их зафиксировать?

Теория струн пытается предложить новую систему записи музыки, новую систему записи теорий квантовой гравитации. Но это не просто система записи того, что мы знаем о нашем мире, потому что мы даже не знаем всех особенностей, которые стоит записывать.

У нас есть несколько подсказок, какие конкретные функции должна предоставлять наша система, и то, что мы пытаемся сделать, — это изучить более технические аспекты, например, действительно ли такие математические инструменты помогают нам в захвате функций стандартной модели.

Ваша статья основывалась на методах F-теории теории струн. Каковы преимущества этого подхода и что на самом деле означает наличие квадриллиона решений?

Cvetic: Прелесть этого режима теории струн в том, что мы можем описать его свойства в терминах геометрии: форма этого дополнительного компактного пространства, насколько оно уникально, как оно определяет свойства частиц в трехмерном пространстве. /одно временное измерение. Таким образом, для определенных свойств, в частности для получения частиц стандартной модели, сила геометрии помогла нам найти примеры, когда мы можем сопоставить ее с музыкой стандартной модели.

Лин: Квадриллионы решений связаны с вопросом о том, насколько особенна наша Вселенная, Стандартная модель и явления физики элементарных частиц, которые мы наблюдаем в том, что мы называем струнным ландшафтом. С точки зрения физики элементарных частиц люди думают, что если я изменю некоторые параметры стандартной модели, наш мир сильно изменится, так что он в каком-то смысле особенный.

В теории струн есть такая замечательная особенность, что все представлено дискретными числами, так что мы можем посчитать, сколько существует решений. Мы показываем, что да, стандартная модель особенная, но в рамках теории струн она может быть реализована разными способами.

Каковы трудности вашей работы и куда вы пойдете дальше?

Cvetic: Для непротиворечивости конструкции из теории струн опираются на то, что называется суперсимметрией. Мы включаем суперсимметрию, потому что это технический инструмент, который нам нужен для получения этих свойств, но он может быть нарушен при больших энергиях. Это важный вопрос, потому что люди хотели бы во всех деталях сопоставить наши конструкции с экспериментальными ограничениями, где мы не наблюдаем суперсимметрии при низких энергиях, поэтому нам потребуется рассмотреть эти вещи более подробно.

Линь: Это одна из концептуальных проблем теории струн. Если кто-то построит новый детектор и обнаружит эти дополнительные частицы, связанные с суперсимметрией, с более высокими энергиями, чем те, которые мы в настоящее время достигаем в экспериментах, это будет прогрессом в экспериментальной части, который может нам очень помочь. С другой стороны, отсутствие наблюдения суперсимметрии в ближайшем будущем не означает, что теория струн неверна. Это просто означает, что нам нужно разработать новые фреймворки и методы для улучшения нашего инструментария.

С точки зрения того, что делать с этими квадриллионами примеров, это не просто то, что нужно выставить в музей, вы действительно можете использовать эти примеры для проверки новых концептуальных основ и вычислительных методов в теории струн. У кого-то еще могут быть какие-то идеи, например, как нарушить суперсимметрию, и теперь, когда у нас есть этот огромный ансамбль для изучения этих идей, и он настолько велик, что вы даже можете подумать об использовании методов больших данных.

Как будто вы производите кучу автомобилей, и даже если вы просто разбиваете их о стену, чтобы проверить, работают ли ваши подушки безопасности, они все равно приносят некоторую пользу.

Что вас продолжает волновать и вдохновлять в этой области исследований?

Cvetic: Я думаю, что одной из сильных сторон работы Пенна является то, что мы задаем теоретические вопросы, актуальные для наших коллег в экспериментальной физике высоких энергий. Так что, с одной стороны, вопросы, которые мы задаем, относятся к вещам, которые экспериментаторы высоких энергий проверяют на коллайдерах, а с другой стороны, мы используем методы формальной теории струн, которые тесно связывают нас с нашими коллегами из математического отдела.

Lin: Что мне кажется интересным в том, что мы делаем, и, в более широком смысле, в том, что предлагает теория струн, так это идея двойного описания одних и тех же явлений, которая внезапно делает некоторые аспекты более понятными. Подобные идеи витали в теоретической физике, но именно теория струн сделала это понятие двойственности гораздо более актуальным. Эти идеи, например, повлияли на работы по конденсированным веществам, которые не имеют непосредственной связи с теорией струн.

А если подумать с точки зрения математика, очень интригует то, что внезапно, после столетий, когда математики давали инструменты физикам, мы оказались на этапе, когда можем использовать нашу интуицию, чтобы указывать математикам, что делать. Это беспрецедентно в истории науки, что физика теперь направляет математику.

Лю:  Это взаимодействие между физикой и математикой особенно захватывает меня в F-теории. Мощный словарь между понятиями фундаментальной теоретической физики и красивой абстрактной математики позволяет нам переводить многие сложные вопросы, которые интригуют физиков, в разрешимые вопросы геометрии. И наоборот, наша физическая интуиция может открывать новые теоремы, которые трудно доказать в чисто математических условиях.

Cvetic: Я думаю, что F-теория потрясающая. Но понять на более глубоком уровне — это все равно, что открыть что-то за пределами квантовой гравитации или теории струн. Я думаю, что, в частности, важная роль геометрии в теории струн и в более общем плане в теоретической физике привела к огромному концептуальному прогрессу, и мы, возможно, только царапаем верхушку айсберга некоторых из этих фундаментальных идей.

Мирьям Цветич — профессор Фэй Р. и Юджин Л. Лангберг в 9-м0228 Факультет физики и астрономии в Школе искусств и наук в Пенсильванском университете .

Линг Лин — научный сотрудник факультета физики и астрономии Школы искусств и наук Университета Пенсильвании .

Муян Лю — аспирант 9-го0228 Факультет физики и астрономии в Школе искусств и наук в Пенсильванском университете .

Кредиты

  • Эрика К. Брокмайер
    Писатель

Дата

Подтемы
  • Физика
Школы
  • Школа искусств и наук

Что такое теория струн? | Живая наука

Теория струн — это передовая идея о том, что все элементарные частицы на самом деле представляют собой крошечные колеблющиеся петли струны.
(Изображение предоставлено: Роберт Сприггс | Shutterstock )

Теория струн — это попытка объединить два столпа физики 20-го века — квантовую механику и теорию относительности Альберта Эйнштейна — с всеобъемлющей структурой, которая может объяснить всю физическую реальность. Он пытается сделать это, постулируя, что частицы на самом деле являются одномерными, похожими на струны объектами, чьи вибрации определяют свойства частиц, такие как их масса и заряд.

Эта парадоксальная идея была впервые разработана в 1960-х и 1970-х годах, когда струны использовались для моделирования данных, поступающих с субатомных коллайдеров в Европе, согласно веб-сайту о теории струн, созданному Оксфордским университетом и Британским королевским обществом. Струны предоставили изящный математический способ описания сильного взаимодействия, одного из четырех фундаментальных взаимодействий во Вселенной, которое удерживает вместе атомные ядра. [8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни]

Тема оставалась второстепенной в течение многих лет, пока в 1984 году не произошла «революция в теории струн», когда теоретики Майкл Грин и Джон Шварц вывели уравнения, показывающие, как струны избегают некоторых несоответствий, мешающих моделям, описывающим частицы как точечные объекты, согласно Кембриджский университет.

Но этот первый расцвет оставил исследователей с пятью различными теориями, объясняющими, как одномерные струны колеблются в 10-мерной реальности. Вторая революция произошла в 1995, когда физики показали, что все эти различные идеи связаны и могут быть объединены с другой теорией, называемой супергравитацией, которая работает в 11 измерениях. Этот подход породил нынешнее воплощение теории струн.

Разгадка тайн

Теория струн — это один из предложенных методов создания теории всего, модели, описывающей все известные частицы и взаимодействия и заменяющей Стандартную модель физики, которая может объяснить все, кроме гравитации. -33 сантиметра, что достаточно мало, чтобы мы обычно не могли их обнаружить, согласно НАСА.

Исследователи использовали теорию струн, чтобы попытаться ответить на фундаментальные вопросы о Вселенной, например, что происходит внутри черной дыры, или смоделировать космические процессы, такие как Большой взрыв. Некоторые ученые даже пытались использовать теорию струн, чтобы разобраться с темной энергией, таинственной силой, ускоряющей расширение пространства и времени.

Бесконечная погоня

Но в последнее время теория струн стала объектом более пристального внимания. Большинство его предсказаний невозможно проверить с помощью современных технологий, и многие исследователи задавались вопросом, не скатываются ли они в бесконечную кроличью нору. В 2011 году физики собрались в Американском музее естественной истории на 11-й ежегодный дебат в память об Айзеке Азимове, чтобы обсудить, имеет ли смысл обращаться к теории струн как к жизнеспособному описанию реальности. 9500 (это число 1, за которым следуют 500 нулей). Этот ландшафт мультивселенной, казалось, предоставлял достаточно возможностей, чтобы исследователи, изучив их, нашли ту, которая соответствовала бы нашей собственной версии реальности. Но в 2018 году влиятельная статья предположила, что ни одна из этих бесчисленных гипотетических вселенных не похожа на наш космос; в частности, у каждого из них отсутствовало описание темной энергии, как мы ее понимаем в настоящее время.

«Теоретики струн предлагают, казалось бы, бесконечное количество математических конструкций, которые не имеют известного отношения к наблюдениям», — сказала ранее Live Science Сабина Хоссенфельдер, физик из Франкфуртского института перспективных исследований в Германии, критически относящаяся к теории струн.

Другие исследователи утверждают, что однажды теория струн даст результаты. В своей статье в журнале Physics Today физик Гордон Кейн из Мичиганского университета предположил, что с проводимыми в настоящее время модернизациями Большой адронный коллайдер может дать доказательства теории струн в ближайшем будущем. Но окончательная судьба теории пока неизвестна.

Дополнительные ресурсы:

Адам Манн — независимый журналист с десятилетним стажем, специализирующийся на астрономии и физике. Он имеет степень бакалавра астрофизики Калифорнийского университета в Беркли. Его работы публиковались в New Yorker, New York Times, National Geographic, Wall Street Journal, Wired, Nature, Science и многих других изданиях. Он живет в Окленде, штат Калифорния, где любит кататься на велосипеде.

Теория струн для чайников Шпаргалка

Теория струн, которую часто называют «теорией всего», — относительно молодая наука, включающая в себя такие необычные понятия, как суперструны, браны и дополнительные измерения. Ученые надеются, что теория струн раскроет одну из самых больших загадок Вселенной, а именно то, как гравитация и квантовая физика сочетаются друг с другом.

Особенности теории струн

Теория струн находится в стадии разработки, поэтому попытка точно определить, что представляет собой наука или каковы ее фундаментальные элементы, может оказаться сложной задачей. Ключевые особенности теории струн включают в себя:

Суперпартнеры в теории струн

Концепция суперсимметрии в теории струн — это причудливый способ сказать, что у каждой частицы есть родственная частица, называемая суперпартнером . Уследить за именами этих суперпартнеров может быть сложно, поэтому вот краткие правила.

В следующей таблице приведены примеры имен суперпартнеров.

Некоторые имена суперпартнеров
Стандартная частица Суперпартнер
Бозон Хиггса Хиггсино
Нейтрино Снейтрино
Лептон Слептон
Z-бозон Зино
W-бозон Вино
Глюон Глюино
Мюон Смюон
Топ-кварк Стоп-сигнал

Отслеживание многих названий теории струн

Теория струн претерпела много изменений за эти годы. Приведенный ниже список дает краткий обзор некоторых основных названий различных типов теории струн.

Некоторые версии имеют более конкретные варианты, которые показаны в виде подзаголовков. (Эти различные варианты связаны сложным образом и иногда перекрываются, поэтому эта разбивка на подстатьи основана на порядке, в котором развивались теории.) Теперь, если вы услышите эти имена, вы поймете, что они говорят о теории струн!

Ключевые события в теории струн

Хотя теория струн — молодая наука, она добилась многих заметных достижений. Далее следует несколько знаковых событий в истории теории струн.

1968: Габриэле Венециано первоначально предлагает модель двойного резонанса.