Теория струн что такое: Теория струн для чайников — Naked Science

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 и сингулярность простыми словами — Delo.ua

Гравитация, теория струн и другая теоретическая физика простыми словами в порядке усложнения

Мы продолжаем сражаться с оккупантом на информационном фронте, предоставляя исключительно проверенную информацию и аналитику.

Война лишила нас возможности зарабатывать, просим Вашей поддержки.

Поддержать delo.ua

Гравитация

Будем двигаться от простого к сложному. О гравитации слышал, наверняка, каждый школьник. Многим известно, что это сила, которая заставила яблоко упасть на голову Исааку Ньютону. Закон Всемирного тяготения действительно «часть» гравитации. На деле же гравитация — это искривление пространства вокруг объектов, обладающих массой. Чем тяжелее объект — тем больше искривление и тем больше «притяжение» объекта.

Если положить на матрас ребенка весом 20 килограммов, а на небольшом отдалении упитанного кота весом в 10 килограммов, и положить между ними мячик — он покатится к ребенку, потому что тот своей массой продавит большую ямку, то есть сильнее искривит пространство. Гравитация при этом способна распространяться волнами, как круги по воде от брошенного камня.

Темная материя

Большинство вещей в нашей вселенной можно увидеть, потому что они взаимодействуют со светом. Таких видимых нам разными способами объектов всего лишь часть от всего, что есть в нашей вселенной. Анализ гравитационных взаимодействий между этими видимыми объектами показывает, что материи в нашей вселенной значительно больше (в 6 раз), чем кажется даже хорошо вооруженному приборами взгляду. 

Подписывайтесь на наш YouTube канал

Представьте многоквартирный дом ночью. На его лицевой стороне несколько горящих окон, но ведь вся его масса, невидимая нам, значительно больше, чем те лоскутки света, которые заметны невооруженным взглядом. Вот та часть дома, которую мы не видим, но понимаем, что она есть — ведь свет в окнах разбросан не хаотично, а зависит от этажа и квартиры, — и есть темная материя. То есть все исследования и расчеты показывают, что она есть, но вот «засечь» ее пока не удалось.

Черные дыры и сингулярность

Представьте себе точку в пространстве, настолько малую, насколько возможно. Но при этом очень плотную, горячую и тяжелую. Тяжелую настолько, что одну чайную ложку ее вещества не поднять никаким краном. Представили? Это и есть «черная дыра». Черная она потому, что во тьме космоса ее не видно (только на инфракрасном телескопе — она же горячая), а дыра — потому что в своей бесконечной тяжелости она сильно притягивает к себе все, до чего может дотянуться, и уже не отпускает никуда. При этом эта дыра на самом деле сфера.

Все новости

И ведет себя этот космический объект чисто как кот — сколько ему корма (материи и энергии) ни насыпешь, все съест и еще попросит. И куда этот «корм» для дыры исчезает — неизвестно.

Разница между котом и дырой в том, что происходящее внутри кота можно посмотреть на рентгене, а что внутри черной дыры — не посмотришь нигде. Дело в том, что в самом центре ее находится так называемая сингулярность — точка схождения пространства и времени, где все законы физики начинают сходить с ума. Там нет понятий прошлого и будущего, и время при попадании в эту самую сингулярность обращается вспять. Свет, попадая туда, не может вырваться и преодолеть гравитацию этого космического тела, потому что ему не хватает ни сил, ни скорости. Однако ученые предполагают, что в действительности черная дыра связана с белой дырой в другом измерении, а эта сингулярность, где все сжимается в компактную единость, и есть мостик, переход в другую вселенную.

Черная дыра из «Интерстеллара» отлично иллюстрирует всю суть этого объекта

Почему время течет по-разному на разных планетах

Если бы тридцатилетний землянин попал на Венеру, ему тотчас стало бы 48 венерианских лет, но при этом он прожил бы всего 47 венерианских дней. Звучит путано? Так происходит потому, что каждая из планет обладает своей продолжительностью дня (сроком, за который она оборачивается вокруг своей оси) и года, который зависит от длины орбиты и показывает срок, за который планета делает полный оборот вокруг Солнца. Те понятия, которые мы вкладываем в определения «год» и «день/сутки», на других планетах имеют совсем другую длительность — венерианский день длится 243 земных суток, а год — 227,8. Вот так, за год Венера не успевает прожить даже одни сутки. Хуже всего не-планете Плутону — с момента его открытия не прошло даже полугода по плутонианским меркам, зато по земным — целых 98 лет. Но это, так сказать, только «филологическая» сторона вопроса.

Это не все. Время тоже подвластно гравитации и тоже может «искривляться», как и пространство. Доказано Альбертом Эйнштейном.

Именно из-за гравитации на объектах с большой массой время «притягивается» и течет медленнее. Например, на Луне или даже земной орбите время идет быстрее из-за уменьшения гравитации, поэтому спутники синхронизируют свое время с Землей. А вот на Солнце время будет идти значительно медленнее, потому что масса его выше. Этим же парадоксом объясняется временная аномалия в центре черной дыры — гравитация там достигает почти абсолюта, воздействуя при этом и на время.

Теория струн

Чтобы понять, что из себя представляет теория струн, нужно понимать, чему она противопоставляется — то есть Стандартную теорию.

«Стандарт» предполагает, что вселенная состоит из мельчайших кирпичей — частиц: разнообразных кварков, бозонов и прочих «-онов». Однако эта теория может объяснить все, кроме существования бессердечной гравитации. На помощь ученым пришла теория струн.

Согласно теории струн, окружающий мир состоит из ультрамикроскопических струн — «сгустков» энергии, настолько тонких, что их пока не обнаружили. При этом они вибрируют и создают видимые и невидимые для нас измерения — браны. Так, кроме трех видимых нами декартовых измерений и времени теория струн предлагает еще семь дополнительных и невидимых, в которых находятся другие вселенные. Увидеть их мы никак не можем, потому что состоим из обычных для нашего измерения частиц, которые мешают нам попасть в прекрасное далеко. Но вот гравитация помогает вычислить эти другие вселенные, которые косвенно влияют на нас (как мифическая планета Нибиру из бульварных газет — она, вроде, есть и влияет на нашу планету, но в глаза ее никто никогда не видел).  

Эти дополнительные измерения все сильно усложняют, но без них ничего не работает, поэтому пока что «струны» остаются только уравнениями на бумаге.

Зато теория струн подтверждает, что все вокруг состоит из энергии, и этим претендует на теорию всего. Ну то есть наша Вселенная — это просто музыка невидимого струнного оркестра.

И напоследок

Если вдруг вас украдут инопланетяне и вам придется автостопить по нашей вселенной, попросите звездную попутку подбросить вас как минимум до Ланиакеи, а там уже найдете сами.

Что же это? В понятных масштабах — целая страна. Наша Земля (квартира) находится в Солнечной системе (доме), та, в свою очередь — в Рукаве Ориона (улице), одном из отрезков галактики Млечный путь (квартала). Но галактикой наш «адрес» не ограничивается. Наша галактика и несколько других ближайших входят в Местную группу (город), которая является составной частью в сверхскоплении Девы (область) — огромном кластере галактик.  Этот кластер вместе со сверхскоплениями Гидры-Центавра, Павлина-Индейца и Южным образуют сверхскопление галактик, называемое Ланиакея.

В ней — 100 тысяч галактик, и ее диаметр — 500 миллионов световых лет (учитывая, что долететь от Солнца до Земли свет может за 8 минут, представьте масштабы!)

Ланиакея в переводе с гавайского — это «необъятные небеса». Пока что объять их мы сможем не скоро, но, надеемся, все возможно.

Что такое теория струн?

Что такое теория струн? Астрофизик объясняет, как Вселенная может работать на фундаментальном уровне

Из чего состоит вселенная?

Наша школьная физика говорит нам об атомах, а 90 природных элементов создают мир вокруг нас. Но из чего состоят эти атомы?

За прошедшее столетие мы разорвали атомы на части, в конце концов найдя электроны и кварки, фундаментальные строительные блоки материи. Но действительно ли они принципиальны? Действительно ли мы достигли дна?

Не согласно теории струн.

Теория струн — это идея о том, что все во Вселенной, каждая частица света и материи состоит из крошечных вибрирующих струн.

Эти струны действительно крошечные, во много миллиардов раз меньше, чем отдельный протон в атомном ядре.

И они вибрируют бесчисленное количество миллиардов раз в секунду в десяти пространственных измерениях, а может быть, и в одиннадцати. Или это может быть двадцать шесть измерений.

Почему физики, казалось бы, здравомыслящие люди, думают, что Вселенная работает именно так?

Чтобы понять почему, нужно вернуться более чем на 100 лет назад.

Две красивые, несовместимые теории

В конце 1800-х годов физика была на пике популярности. Ученые думали, что они понимают гравитацию, электричество, магнетизм, тепло и газы.

В 1900 году лорд Кельвин, по-видимому, возразил, что «в физике нельзя открыть ничего нового».

Но вскоре на заре 20 века эта уютная обстановка начала разваливаться.

Эйнштейн переписал само понятие пространства и времени с помощью своей специальной и общей теорий относительности, в то время как Планк, Бор и Гейзенберг открыли, что мир очень малых размеров подчиняется явно бессмысленным правилам квантовой механики.

К середине 1900-х годов наш взгляд на вселенную полностью изменился. И эти новые странные физические теории давали невероятно точные предсказания для экспериментальных проверок.

Но, несмотря на этот успех, физики были недовольны.

Загрузка контента YouTube

Проблема была с силами. Стало понятно, что в основе Вселенной лежат четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие.

Из них сильное и слабое взаимодействия действуют только на субатомных масштабах. В более широком масштабе остальная Вселенная представляет собой нескончаемую битву между гравитацией и электромагнетизмом.

Гравитация описывается красивой эйнштейновской математикой искривленного пространства и времени. Но остальные три силы написаны на языке квантовой механики. И эти два метода совершенно несовместимы.

Эта ситуация расстраивает физиков, поскольку им приходится помнить о двух независимых математических наборах для описания физики Вселенной.

Это их также беспокоит, так как они не могут описать физические процессы в ситуациях, когда фундаментальные силы борются за господство, например, при рождении Вселенной или в центре черных дыр.

Итак, они искали единый математический набор для описания всех сил, Теорию Великого Объединения, которая будет означать, что помнить будет меньше.

Поиски этой Теории Великого Объединения не новы, и многие пытались, но потерпели неудачу. Эйнштейн искал способ объединить гравитацию и электромагнетизм до самой своей смерти.

Этот поиск великого объединения приводит нас к теории струн.

Вибрирующие струны, каждая из которых играет космическую ноту.

Как и многие другие науки, рождение теории струн было непростым.

Он родился во время послевоенного взрыва в физике элементарных частиц, который привел к открытию того, что Вселенная, по-видимому, состоит из небольшого семейства фундаментальных частиц — кварков, лептонов и бозонов, переносящих взаимодействие.

Это помогло разобраться в постоянно растущем зоопарке частиц, выбрасываемых мощными ускорителями, но физики задались вопросом, состоят ли из похожего вещества сами фундаментальные кварки, лептоны и бозоны?

Извините, это видео пока недоступно или срок его действия истек

Стандартная модель физики объяснила

Копаясь в математике, физики начали находить сходство в частицах, представляя их как одномерные петли волокнистого материала.

Каждой из элементарных частиц соответствуют разные вибрации этого волокнистого вещества; одна нота, сыгранная на основной струне, — это электрон, другая — кварк, третья — фотон, частица света.

Струны сами по себе не состоят из чего-то меньшего размера — они являются истинными фундаментальными частями вселенной.

Но математика теории струн немного странная, и, собирая части воедино, физикам нужно было добавлять все больше и больше пространственных измерений, чтобы их теории работали, гораздо больше, чем три, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни.

ABC Science на Facebook

Хотите еще больше науки, здоровья, окружающей среды и технологий? Присоединяйтесь к беседе на Facebook.

Читать далее

Если теория струн верна, то для того, чтобы скрыть от нас эти дополнительные измерения, требуются более сложные математические трюки.

Теоретики струн построены из прочного материала, и работа со сложными вибрациями в нескольких измерениях их не пугала.

Благодаря простоте лежащей в основе идеи, которая может объяснить все во вселенной, теория струн оказалась очень соблазнительной.

С момента своей кристаллизации в 1980-х годах она продолжала расти и развиваться в группу идей, известную как «М-теория», хотя, кажется, никто не знает, что означает М.

М-теоретики уверены, что они на правильном пути к великому объединению, и скоро смогут собрать воедино все отдельные нити и объявить победу над фундаментальными силами.

Математически изящно, но невозможно доказать

Не все в это верят.

Хотя научные журналы содержат многие тысячи и тысячи страниц математических исследований теории струн, всем им не хватает одной важной вещи — предсказаний, которые можно проверить экспериментально.

Чтобы исследовать крошечные струны, нам потребуется построить огромную версию Большого адронного коллайдера — по крайней мере, такого же размера, как наша галактика Млечный Путь, если не наблюдаемая Вселенная.

Как вы понимаете, если что-то радикально не изменится в математике теории струн, экспериментальная проверка навсегда останется недосягаемой.

Еще больше умопомрачительных объяснений

• Если вас смущает идея путешествия во времени, погрузитесь в «блочную вселенную»
• Стандартная модель физики элементарных частиц великолепна и полностью ошибочна
• Что находится внутри черной дыры?
• Антиматерия означает, что мы — и остальная Вселенная — на самом деле не должны существовать

Опять же, сторонники теории струн остаются непоколебимыми. Они говорят, что даже если мы не можем проверить теорию, мы должны продолжить работу над М-теорией, поскольку идея настолько прекрасна, что она просто не может быть ошибочной.

Приложив еще немного усилий, говорят они, мы будем держать в руках теорию, чтобы все описать.

Но для других это заходит слишком далеко. Наука без предсказаний — это не наука, это просто математика.

И если теория струн никогда не будет проверена на природе, то она никогда не станет наукой.

Теория струн вызвала раздражение у других физиков, поскольку ее слава затмила их собственные поиски Теории Великого Объединения

Но их подходы могут показаться такими же странными и странными, как теория струн, с такими идеями, как «Петлевая квантовая гравитация», которая предполагает даже пространство и время построены из фундаментальных битов.

ABC Science на YouTube

Хотите узнать больше о науке, а также о здоровье, окружающей среде, технологиях и многом другом? Подпишитесь на наш канал.

Подробнее

Эти физики считают, что сторонники теории струн идут по тупиковому пути в поисках абсолютной физики.

Теория струн или ее многочисленные потомки в «М-теории» на верном пути к великому объединению?

По правде говоря, мы просто не знаем.