Содержание
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.
Что такое теория струн? Простой обзор
Теория струн гласит, что неделимые субатомные частицы состоят из крошечных маленьких струн, вибрирующих по определенной схеме. Каждый колебательный паттерн соответствует разным частицам. Электрон — это не что иное, как струна, вибрирующая по одному шаблону, а протон — это струна, вибрирующая по другому шаблону.
Это просто математическая концепция, нет никаких экспериментальных доказательств теории струн.
В природе существуют четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнетизм и слабые и сильные ядерные силы. Одна из главных целей физиков — разработать теорию, которая может описать все эти силы.
За последние 6 десятилетий, пытаясь объединить все силы, физики-теоретики выдвинули много разных интересных идей и новых теорий. Одна из самых многообещающих из этих теорий — теория струн.
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.
Следовательно, кварк — это не что иное, как струна, вибрирующая по одной схеме, а электрон — это не что иное, как струна, вибрирующая по другой схеме. Так что, если вы соберете все эти частицы обратно вместе, яблоко будет не чем иным, как связкой вибраций в струнах.
Если теория струн верна (она все еще не доказана), все вещи во вселенной — не что иное, как танцующая вибрирующая космическая симфония струн.
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.
Считается, что характерная шкала длины струн составляет порядка 10 -35 метров, или длины Планка.
Это масштаб, при котором эффекты квантовой гравитации становятся значительными.
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?
Ну, быстрый ответ — нет.
Теория Всего — это гипотетическая основа физики, которая полностью описывает и связывает воедино все физические аспекты вселенной. Найти такую теорию — главная мечта физиков-теоретиков.
Для достижения этой цели теория струн стала многообещающим кандидатом в Теорию Всего. До сих пор он успешно объяснил многие сложные явления, в том числе черные дыры , которые требуют как квантовой механики, так и общей теории относительности для их изучения.
Согласно теории струн, все четыре фундаментальные силы когда-то были единой фундаментальной силой в начале вселенной — через 10–43 секунды после Большого взрыва.
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.
В нем есть
- вдохновил всю область исследований суперсимметрии,
- помог нам понять энтропию черной дыры,
- вдохновили новые подходы к традиционным вычислениям в квантовой теории поля.
Исследователи также установили связь между рамками квантовой теории поля и теории струн, которая называется AdS / CFT-соответствием.
Так что, может быть, история теории струн — это не теория всего, но, конечно, это не отдельная совокупность исследований, проводимых в каком-то неясном уголке науки. Вместо этого он может указать нам правильное направление и помочь нам открыть новые аспекты квантового мира и немного прекрасной математики.
Мы еще не знаем, какова истинная природа реальности, но мы будем продолжать копать, пока не узнаем.
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. Многие ученые верят в теорию струн из-за ее математической красоты. Уравнения теории струн описываются как элегантные, а их описания физического мира считаются чрезвычайно удовлетворительными.
Теория объясняет гравитацию с помощью особой вибрирующей струны, свойства которой соответствуют свойствам гипотетического гравитона, квантово-механической частицы, несущей гравитационную силу.
-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 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:
- Смотреть: Физик-теоретик Мичио Каку объясняет теорию струн.
- 5 причин, по которым мы можем жить в мультивселенной
- Узнайте больше о теории струн в Институте физики.
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.
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: Понимая, 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, это проблема», но эти дополнительные измерения также естественным образом производят 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.
Лин: 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 я нахожу интересным в том, что мы делаем, и в более широком смысле, что предлагает теория струн, так это идея двойного описания одних и тех же явлений, которая внезапно делает некоторые аспекты намного 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 завораживает 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-м0052 Факультет физики и астрономии в Школе искусств и наук в Пенсильванском университете .
Линг Лин — научный сотрудник факультета физики и астрономии Школы искусств и наук Пенсильванского университета .
Муян Лю — аспирант 9-го0052 Факультет физики и астрономии в Школе искусств и наук в Пенсильванском университете .