Теория струн простым языком: Теория струн для чайников — Naked Science

О теории струн простыми словами🧠

Теория струн появилась около 60-ти лет назад. За это время она пережила несколько этапов: ее рассматривали как сенсацию, в ней сомневались, ее хоронили, а затем оживляли. Наконец, ее несколько раз преобразовывали с целью решения выявленных ошибок и устранения аномалий. Что же представляет собой теория струн и как к ней относятся сегодня? Попробуем рассказать максимально просто и доступно!

Правда, есть один нюанс. Рассказать о теории струн кратко вряд ли получится. Даже если у вас были хорошие оценки по физике в школе, вы понимаете базовые теории и знаете фундаментальные законы, посвящению в теорию струн придется уделить время. Итак, обо всем по порядку.

Теория струн появилась около 60-ти лет назад

Общая теория относительности vs квантовая теория

По сей день большинство процессов и явлений во вселенной можно объяснить, основываясь на этих фундаментальных теориях.

Квантовая теория описывает любые взаимодействия между элементарными частицами. Эта глобальная и точная теория — одно из самых больших достижений в области физики. Она включает описания трех важнейших физических сил:

• Сильное ядерное взаимодействие описывает притяжение между протонами и нейтронами — так формируются ядра атомов;
• Электромагнитное взаимодействие описывает связи между электрически заряженными частицами;
• Слабое взаимодействие описывает процесс распада ядер атомов и распады элементарных частиц.

Квантовая теория не просто описывает эти взаимодействия. Ученым удалось доказать, что все эти силы имеют общую природу. Но, несмотря на огромное значение для физики, квантовая теория не идеальна. Пожалуй, главный ее недостаток — невозможность описания четвертой физической силы, гравитации. Правда, с этим отлично справляется общая теория относительности. Согласно ей, окружающее пространство представляет собой гладкое и ровное полотно, которое может деформироваться материальными объектами.

Главная проблема — невозможность увязать понятия и объяснения из обеих теорий в рамках одного фундаментального учения. Квантовая теория описывает взаимодействия частиц, но она бессильна, когда речь заходит о гравитации, которую мы наблюдаем невооруженным глазом (в отличие от связей между частицами). А теория относительности хорошо работает на больших масштабах — в макромире, но она совсем неприменима к тому, что происходит на субатомном уровне. В 1926-м году немец Вернер Гейзенберг предложил известный принцип неопределенности. Именно он описывал хаотичное, бурное и непредсказуемое поведение частиц в микромире. Все происходящее на этом уровне полностью отличается от того, что мы видим в окружающей среде.

Кстати, именно принцип Гейзенберга заставил физиков вновь взяться за активную работу. Ведь еще в конце 19-го столетия ученые считали, что все вопросы физики решены, все фундаментальные открытия уже сделаны. Но Гейзенберг не позволил коллегам расслабиться. Его принцип неопределенности и, что еще важнее, несовместимость теории относительности и квантовой теории, заставили физиков двигаться дальше. Так в начале 60-х годов и появилась теория струн.

Планируете путешествие, но не с кем поехать? Давно хотели открыть для себя страйкбол, но нет большой компании? А может, вы находитесь в поиске второй половинки? Тогда портал Invme — то, что вам нужно. Регистрируйтесь и получайте доступ к десяткам и сотням интересных предложений от жителей разных городов России. Создавайте свое мероприятие и собирайте компанию жизнерадостных, открытых приключениям людей. Присоединяйтесь к Invme прямо сейчас!

Теория всего

Именно такое альтернативное название получила струнная теория. Ведь в ней удалось, наконец, увязать две фундаментальные теории — квантовую и теорию относительности. Говорят, что об этом до самой смерти мечтал Альберт Эйнштейн. Да и простые люди догадываются, что все явления и процессы, все происходящее во Вселенной может быть описано в рамках одной системы, то есть нам не нужно несколько теорий для описания происходящего на разных масштабах. Вероятно, требуется всего одна формула. Теория струн — большой шаг в этом направлении. Но насколько верным он оказался?

Базовый термин теории — струны. В рамках данной теории элементарные частицы, из которых состоят все объекты во Вселенной, представлены именно в таком виде. Каждая из этих струн в миллиарды раз меньше электрона. При этом каждая может извиваться, растягиваться, сжиматься, представлять собой замкнутый или разомкнутый элемент. Струны могут объединяться между собой и разъединяться.

Главная характеристика струны — частота колебания. Именно по этому признаку и различают между собой разные частицы. От колебания зависит также масса, заряд и прочие параметры отдельно взятой струны. В общем, авторы новой теории не просто решили заменить схематическое обозначение частиц (струны вместо точек), но и сумели интересно все объяснить. Кроме того, надо сказать, что теория струн довольно гибкая. К моменту ее “премьеры” там все еще было много странных понятий, указывающих на ошибки и “аномалии”. Но то, что ученым удалось объединить знания о четырех фундаментальных взаимодействиях в рамках одной теории, не могло остаться без внимания сообщества.

А вы знаете, что такое мегаломания? Если нет, эта статья — специально для вас.

Базовый термин теории — струны. В рамках данной теории элементарные частицы, из которых состоят все объекты во Вселенной, представлены именно в таком виде

Проблемы теории струн

Самое время затронуть те самые ошибки теории, из-за которых у нее изначально было много критиков. Одна из самых вопиющих — наличие некой частицы, лишенной массы, движущейся быстрее скорости света, да еще и назад во времени. Ее название — Тахион. Ошибку удалось исправить, представив миру новую версию теории — теорию суперструн. В ней уже не было места гипотетическим частицам с фантастическими параметрами, но самих частиц стало куда больше. Правда, доказать их существование экспериментальным путем все еще невозможно. Кстати, это и есть главная проблема всей теории струн. Но об этом — немного позже.

Другая проблема — серьезные нестыковки с теорией относительности. Увязать описание всех четырех сил в рамках одной теории недостаточно, чтобы струнная теория выглядела логично и правильно. Так, теория предусматривает наличие гораздо большего количества измерений в сравнении с тем, к чему мы привыкли (3 пространственных измерения и 1 временное). Расчеты указывают на 10 измерений, а в более продвинутых версиях речь идет даже о 26 измерениях. Очевидный вопрос: если измерений так много, почему мы их не наблюдаем?

И на этот счет у сторонников струнной теории есть объяснение. Они предполагают, что измерения просто свернуты и занимают настолько мало места, что видеть их невозможно. Собственно, как сами струны. Кроме того, свернутые измерения характеризуются искривленной, сложной формой. И именно эта форма влияет на колебания элементарной частицы, то есть струны, что находится внутри скрытого измерения. А колебания, как мы уже знаем, определяют все характеристики частицы. Выходит, что все устройство Вселенной зависит именно от скрытых, свернутых измерений.

Подтвердить существование других пространственных измерений можно было бы опытным путем. Если бы в ходе эксперимента удалось зафиксировать появление или исчезновение объекта, это можно было бы списать на магию, а можно было бы объяснить именно существованием другого измерения, недоступного для наших глаз. Но ни в одном эксперименте не был нарушен закон сохранения энергии.

Зато о других измерениях, феноменах и гипотетических сценариях развития событий во Вселенной можно узнать из кино. Вот подборка фантастических фильмов для вас!

С экспериментами, которые могли бы подтвердить или доказать хоть что-нибудь из теории струн, вообще все сложно. Подходящего оборудования для проведения необходимых опытов нет, и в ближайшие годы оно вряд ли появится. Были надежды на адронный коллайдер, но увы. Доказать существование других измерений, кроме известных нам трех, пока никому не удалось. Скептики утверждают, что доказать или окончательно опровергнуть теорию можно будет не раньше, чем через сто лет.

Но и это еще не все. Если невозможно проверить что-то опытным путем, можно заняться расчетами. Если используя методику, лежащую в основе струнной теории, удастся вывести результат, подтверждаемый на деле, значит, все не так безнадежно. Но и здесь беда: теория струн чрезвычайно сложна в математическом плане. Для решения соответствующих уравнений пока даже не придумали подходящих методов. Ученые, что занимаются развитием теории, часто пользуются приближенными, а не точными методами. Это дает скептикам очередной повод для критики теории струн.

На каком-то этапе теория струн стала слишком сложной и запутанной. В 80-х годах прошлого века ученые выдвинули 5 различных вариантов теории, в каждой из которых фигурируют дополнительные измерения. Несмотря на то, что фундамент у всех пяти версий схож, в деталях эти теории сильно различаются. В итоге попытки усовершенствовать теорию, устранить из нее ошибки и противоречия привели к обратному эффекту — большинство ученых все же считают теорию не заслуживающей большого внимания. Тем более, что кроме струнной теории развиваются и другие, не менее перспективные и правдоподобные.

Как выглядит Земля из космоса? Вот наша подборка прямых трансляций! Спешите видеть все своими глазами!

На каком-то этапе теория струн стала слишком сложной и запутанной

В чем ценность теории струн?

Что такое теория струн простым языком? Если взглянуть на нее в целом и не вдаваться в детали, это попытка посмотреть на все, что мы знаем и видим, под другим ракурсом. До появления теории струн не было глобальных попыток пересмотреть уже устоявшиеся, общепринятые нормы. А вот авторам новой теории удалось всколыхнуть “застоявшееся болото”. Физики стали все чаще предполагать, что микрочастицы действительно могут быть в миллиарды раз меньше электронов (и пусть даже они не похожи на струны). Мы задумались над существованием других измерений, о чем, правда, еще в 1919-м году писал немец Теодор Калуца, а Альберт Эйнштейн считал его предположение заслуживающим внимания. Далее эту идею развил шведский ученый Оскар Клейн, который представил, что невидимое для нас измерение может быть свернуто в микромасштабе. По сути, именно эта идея и легла в основу теории струн. В общем, физики стали смотреть на постулаты немного иначе.

Еще одна ценность новой теории в том, что она перевела физиков от вопроса “Как устроен мир?” к не менее важному: “Почему мир устроен именно так?”. На первый вопрос физики пусть и не ответили до конца, но им удалось достичь серьезного прогресса в этом направлении. А вопрос “Почему?” может заставить многих ученых взглянуть на исследования и опыты под другим углом. Пусть даже эта работа не будет напрямую связана с теорией струн.

Кроме того, не забывайте, что в рамках теории струн действительно удалось увязать объяснения для всех явлений, процессов и объектов, наблюдаемых во вселенной. И пусть в ней еще много нестыковок, это дорогого стоит. Сейчас ученые пытаются усовершенствовать теорию, из-за чего базовая теория струн получила несколько ответвлений. И пусть популярность этой в каком-то смысле революционной теории снижается, очевидно, что ее нельзя назвать провальной.

Бонус: интересные факты о физике

Если вам показалось, что статье было недостаточно физики (хоть это и вряд ли), приводим интересные факты о физике:

• Преодолеть скорость звука не так сложно, как кажется. Кончик обыкновенного кнута при взмахе движется так быстро, что опережает звук. Именно в момент перехода им звукового барьера и раздаётся хлопок.
• Некогда физики были удивлены узнать, что температура разряда молнии примерно впятеро превышает температуру поверхности Солнца.
• Как известно, от воздействия высоких или низких температур сжимаются самые разные вещества, не только газообразные. К примеру, высота Эйфелевой башни можно колебаться в пределах 12 сантиметров в зависимости от погоды, так как нагреваемый солнцем металл расширяется.
• Солнце кажется красным утром и вечером из-за того, что его лучи в это время проходят через нижние слои атмосферы, насыщенные пылью и другими частицами. А за пределами атмосферы все звёзды, включая Солнце, в визуальном спектре вообще выглядят белыми.
• Физики до сих пор не знают, почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.
• На обычную материю приходится около 5% массы наблюдаемой вселенной. Ещё около 22% приходится на тёмную материю, о которой вообще до сих пор почти ничего не известно.
• Одним из наиболее выдающихся физиков XX века был Альберт Эйнштейн. Многие его теории до сих пор разрабатываются современными учёными.

• Впервые учёным удалось создать антиматерию в 1965 году. Судя по всему, в естественном состоянии в нашей Вселенной антивещество вообще не встречается, но в лаборатории получить его можно.
• Такое интересное явление, как северное сияние, возникает при взаимодействии солнечного ветра с верхними слоями атмосферы Земли. Физики давно уже разгадали эту загадку.
• Жидкость бывает не только обычной, привычной нам, но и неньютоновской. В качестве примера таковой можно привести, например, зыбучие пески.
• Скорость распространения звука напрямую зависит от плотности среды. Так, в воде или гранитном массиве она будет выше, чем в воздухе.
• В числе прочих интересных фактов о физике нельзя не упомянуть и то, что плотность воды напрямую зависит от её температуры. Максимальная плотность достигается при +4 градусах, а замёрзший лёд и вовсе менее плотен, чем вода, поэтому и плавает в ней, а не тонет.
• Существует множество разделов физики, изучающих разные вещи, причём многие из них сами поделены на подразделы. Так, в рамках этой науки существует астрофизика (строго говоря, это раздел астрономии, но основан он на принципах физики и химии), а внутри неё есть физика звёзд, физическая космология и другие направления.
• Наряду с математикой физику можно назвать важнейшей наукой на Земле. Всё, что отличает современное человечество от первобытных людей, появилось в результате применения на практике физических открытий.
• В древности слова “физика” и “философия” были синонимами, так как задача у этих наук была одна и та же – постижение принципов, по которым работает Вселенная.
• В самостоятельную науку физика развилась лишь в XVI веке, а результате научной революции.
• Температура молнии превышает температуру солнечной поверхности в несколько раз. Хотя недра Солнца, конечно, нагреты не до тысяч градусов, а до миллионов.

• Так как физика – это наука о природе, она в каком-то смысле является естествознанием, то есть частью природоведения.
• Только с развитием этой науки стали известные некоторые, казалось бы, очевидные сейчас вещи. Такие, как плотность воды, которая напрямую зависит от её температура. Исследования показали, что плотность льда ниже плотности жидкой воды, поэтому он и не тонет, а максимальной плотности вода достигает при 4 °C.
• Звук не распространяется в вакууме, но распространяется через любые материалы. Так, в безвоздушной среде он будет распространяться через каменный массив не хуже, чем на Земле.
• В современной физике существует множество нерешённых проблем.
• Никто точно не знает, когда физика возникла, как наука. Она является одной из древнейших наук в мире, и древнейшие свидетельства попыток научного познания мира относятся к эпохе Месопотамии и Древнего Египта, то есть и по 3000-4000 лет.
• Между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами разницы не меньше, чем между менеджером по продаже пылесосов и строителем. Теоретики работают исключительно головой, а экспериментаторы опровергают или подтверждают их теории на практике.
• В Древнем Китае физика была уважаемой наукой ещё в V веке до н. э., то есть 2500 лет назад.
• В Древней Индии физики-натурфилософы считали, что весь мир состоит из пяти базовых элементов: земля, вода, воздух, огонь и эфир.
• Теория о том, что всё сущее состоит из молекул и атомов, впервые была сформулирована индийскими учёными ещё в VII веке до н. э. Правда, они полагали, что
• Понятие эфира, всепроникающего вещества, заполняющего мир, присутствовало в физике до XIX века.
• Антиматерию, или антивещество, обнаружить в Млечном Пути или за его пределами не удалось, но в микроскопических объёмах получать её научились ещё в 1965 году. В случае взаимодействия “нормального” вещества и антивещества они аннилигируются.

• С момента своего появления физика имела большое прикладное значение. К примеру, двигатели внутреннего сгорания никто бы так и не изобрёл, если бы не такие физические дисциплины, как механика и термодинамика.
• Когда Вселенная образовалась, атомов не было. Были только элементарные частицы, да и то не все. Атомы элементов практически всей таблицы Менделеева образовались в ходе ядерных реакций в недрах звезд, когда более легкие ядра превращаются в более тяжелые. Мы и сами состоим из атомов, образовавшихся в далеком космосе.
• Мы живем в материальном мире и все, что есть вокруг, – материя. Ее можно потрогать, продать, купить, можно что-то построить. Но в мире есть не только материя, а еще и темная материя. Она не излучает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Темную материю, по понятным причинам, никто не трогал и не видел. Ученые решили, что она существует, наблюдая некоторые косвенные признаки. Считается, что темная материя занимает около 22% в составе Вселенной. Для сравнения: привычная нам старая добрая материя занимает лишь 5%.

Вряд ли у нас получилась статья в духе “Теория струн для чайников”. Но мы все же пытались объяснить вам суть струнной теории доступным языком. А как вы считаете, какое будущее ждет теорию струн? Когда удастся провести первые удачные эксперименты, опровергающие или подтверждающие основы теории? Возможно, уже скоро на первый план выйдет совсем другая теория устройства мира? Поделитесь размышлениями в комментариях.

Хотите узнать больше о нашем мире? Тогда вот подборка лучших фильмов от BBC! О природных явлениях, аномалиях, животных, разных уголках нашей замечательной планеты.

А если вам кажется, что вы знаете о нашем мире все, взгляните на эту подборку фактов. Наверняка найдется хотя бы один пункт, что удивит вас.

Теория струн • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

200 законов мироздания > Физика

В конечном счете все элементарные частицы можно представить в виде микроскопических многомерных струн, в которых возбуждены вибрации различных гармоник.

Внимание, пристегните покрепче ремни — и я попробую описать вам одну из самых странных теорий из числа серьезно обсуждаемых сегодня научных кругах, которая способна дать наконец окончательную разгадку устройства Вселенной. Теория эта выглядит настолько дико, что, вполне возможно, она правильна!

Различные версии теории струн сегодня рассматриваются в качестве главных претендентов на звание всеобъемлющей универсальной теории, объясняющей природу всего сущего. А это — своего рода Священный Грааль физиков-теоретиков, занимающихся теорией элементарных частиц и космологии. Универсальная теория (она же теория всего сущего) содержит всего несколько уравнений, которые объединяют в себе всю совокупность человеческих знаний о характере взаимодействий и свойствах фундаментальных элементов материи, из которых построена Вселенная. Сегодня теорию струн удалось объединить с концепцией суперсимметрии, в результате чего родилась теория суперструн, и на сегодняшний день это максимум того, что удалось добиться в плане объединения теории всех четырех основных взаимодействий (действующих в природе сил). Сама по себе теория суперсимметрии уже построена на основе априорной современной концепции, согласно которой любое дистанционное (полевое) взаимодействие обусловлено обменом частицами-носителями взаимодействия соответствующего рода между взаимодействующими частицами (см. Стандартная модель). Для наглядности взаимодействующие частицы можно считать «кирпичиками» мироздания, а частицы-носители — цементом.

В рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли носителей взаимодействия — калибровочные бозоны, которыми эти кварки обмениваются между собой. Теория же суперсимметрии идет еще дальше и утверждает, что и сами кварки и лептоны не фундаментальны: все они состоят из еще более тяжелых и не открытых экспериментально структур (кирпичиков) материи, скрепленных еще более прочным «цементом» сверхэнергетичных частиц-носителей взаимодействий, нежели кварки в составе адронов и бозонов. Естественно, в лабораторных условиях ни одно из предсказаний теории суперсимметрии до сих пор не проверено, однако гипотетические скрытые компоненты материального мира уже имеют названия — например, сэлектрон (суперсимметричный напарник электрона), скварк и т. д. Существование этих частиц, однако, теориями такого рода предсказывается однозначно.

Картину Вселенной, предлагаемую этими теориями, однако, достаточно легко представить себе наглядно. В масштабах порядка 10^–35 м, то есть на 20 порядков меньше диаметра того же протона, в состав которого входят три связанных кварка, структура материи отличается от привычной нам даже на уровне элементарных частиц. На столь малых расстояниях (и при столь высоких энергиях взаимодействий, что это и представить немыслимо) материя превращается в серию полевых стоячих волн, подобных тем, что возбуждаются в струнах музыкальных инструментов. Подобно гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо основного тона, множество обертонов или гармоник. Каждой гармонике соответствует собственное энергетическое состояние. Согласно принципу относительности (см. Теория относительности), энергия и масса эквивалентны, а значит, чем выше частота гармонической волновой вибрации струны, тем выше его энергия, и тем выше масса наблюдаемой частицы.

Однако, если стоячую волну в гитарной струне представить себе наглядно достаточно просто, стоячие волны, предлагаемые теорией суперструн наглядному представлению поддаются с трудом — дело в том, что колебания суперструн происходят в пространстве, имеющем 11 измерений. Мы привыкли к четырехмерному пространству, которое содержит три пространственных и одно временное измерение (влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад, прошлое-будущее). В пространстве суперструн всё обстоит гораздо сложнее (см. вставку). Физики-теоретики обходят скользкую проблему «лишних» пространственных измерений, утверждая, что они «скрадываются» (или, научным языком выражаясь, «компактифицируются») и потому не наблюдаются при обычных энергиях.

Совсем уже недавно теория струн получила дальнейшее развитие в виде теории многомерных мембран — по сути, это те же струны, но плоские. Как походя пошутил кто-то из ее авторов, мембраны отличаются от струн примерно тем же, чем лапша отличается от вермишели.

Вот, пожалуй, и всё, что можно вкратце рассказать об одной из теорий, не без основания претендующих на сегодняшний день на звание универсальной теории Великого объединения всех силовых взаимодействий. Увы, и эта теория небезгрешна. Прежде всего, она до сих пор не приведена к строгому математическому виду по причине недостаточности математического аппарата для ее приведения в строгое внутреннее соответствие. Прошло уже 20 лет, как эта теория появилась на свет, а непротиворечиво согласовать одни ее аспекты и версии с другими так никому и не удалось. Еще неприятнее то, что никто из теоретиков, предлагающих теорию струн (и, тем более суперструн) до сих пор не предложил ни одного опыта, на котором эти теории можно было бы проверить лабораторно. Увы, боюсь, что до тех пор, пока они этого не сделают, вся их работа так и останется причудливой игрой фантазии и упражнениями в постижении эзотерических знаний за пределами основного русла естествознания.

См. также:

Сколько же всего измерений?

Нам, простым людям, всегда хватало и трех измерений. С незапамятных времен мы привыкли описывать физический мир в столь скромных рамках (саблезубый тигр в 40 метрах спереди, 11 метрах правее и 4 метрах выше меня — булыжник к бою!). Теория относительности приучила большинство из нас к тому, что время — суть четвертое измерение (саблезубый тигр не просто здесь — он здесь и сейчас угрожает нам!). И вот, начиная с середины ХХ века, теоретики повели разговоры, что на самом деле измерений еще больше — не то 10, не то 11, не то вообще 26. Конечно, без объяснений, почему мы, нормальные люди, их не наблюдаем, тут обойтись не могло. И тогда возникла концепция «компактификации» — слипания или схлопывания измерений.

Представим садовый поливочный шланг. Вблизи он воспринимается как нормальный трехмерный объект. Стоит, однако, отойти от шланга на достаточное расстояние — и он представится нам одномерным линейным объектом: его толщину мы попросту перестанем воспринимать. Именно о таком эффекте и принято говорить, как о компактификации измерения: в данном случае «компактифицированной» оказалась толщина шланга — слишком мала шкала масштаба измерения.

Именно так, по утверждениям теоретиков, исчезают из поля нашего экспериментального восприятия реально существующие дополнительные измерения, необходимые для адекватного объяснения свойств материи на субатомном уровне: они компактифицируются, начиная с шкалы масштабов порядка 10^–35 м, и современные методы наблюдения и измерительные приборы просто не в состоянии обнаружить структур столь малого масштаба. Возможно, всё именно так и есть, а возможно, всё обстоит совершенно по-другому. Пока нет таких приборов и методов наблюдения, все вышеприведенные доводы и контрдоводы так и останутся на уровне досужих спекуляций.

30

Показать комментарии (30)

Свернуть комментарии (30)

• psihoner
   30.05.2006  14:17

  Ответить

  Физика рано или поздно подойдет к пределу, когда теории невозможно будет подтвердить экспериментально. От этого никуда не деться, но вовсе не значит, что нужно прекращать задумываться над неизвестным.

  Ответить

  • vlad2006
    psihoner 15.07.2006  23:10

    Ответить

    Не верю я в это, человечество всегда идёт вперёд так и технология,
    поэтому я думаю так(я могу ошибатся).

    Ответить

  • msk1147
    psihoner 31. 05.2009  17:16

    Ответить

    Она (физика) уже не раз это делала, и тем не менее со временем всегда находился способ проверить теорию на практике.

    Ответить

Написать комментарий

около 1895

Теория сцепления-натяжения

1948

Теория стационарной Вселенной

Новостная рассылка
 

«Элементы» в соцсетях: 

Эволюция теории струн до М-теории / Хабр

Доброго времени суток, уважаемое хабрасообщество. После моего долгого отсутствия я решил вновь взяться за

перо

клавиатуру. Сегодня мы попробуем проследить эволюцию теории струн до М-теории, и найти ответы на вопросы: что подтолкнуло ученых к развитию данной теории, с какими проблемами им пришлось столкнуться, и над чем сейчас ломают головы лучшие умы человечества.

Теория струн

На Хабре уже была статья по теории струн. Если вкратце в 1968 году ученые обратили внимание, что математическая функция, которая называется бета-функция Эйлера, идеально описывает свойства частиц, которые участвуют в так называемом сильном взаимодействии — одном из четырёх фундаментальных взаимодействий во Вселенной.

При дальнейших проверках этот факт получил подтверждение, интересно было и то, что ранее данная функция в основном применялась при описании колебаний натянутых струн.

При виде всего этого исследователи задались резонным вопросом: «А что, если элементарные частицы вовсе и не частицы, а микроскопические тончайшие струны, а то, что мы наблюдаем на практике — это не траектория движения частицы, а траектория колебания, проходящего по этой струне?». При том, характер колебания и указывает, какая частица перед нами: один вид колебания (колебательная мода) — одна частица, другой вид — другая.

Первые же исследования показали, что теория струн достигает значительных успехов в описании наблюдаемых явлений. Одна из мод колебаний струны может быть идентифицирована как гравитон. Другие колебательные моды проявляют свойства фотонов и глюонов.

Не без оснований казалось, что теория струн, способна свести все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной к одному — колебанию одномерной струны с соответствующим переносом энергии. При этом теория струн так же позволяет объяснить основные константы микромира с математической точки зрения. Становилось понятно, почему, например, массы элементарных частиц именно такие, какие есть.

Кроме того, теория струн давала надежду на объединение ОТО (общая теория относительности) и квантовой механики в рамках одной теории. При расчётах выяснилось, что собственные колебания струн способны гасить и уравновешивать квантовые флуктуации и тем самым устранить возмущения на микроскопическом уровне, из-за которых ОТО и квантовую механику никак не удавалось подружить.

Однако, при более глубоких исследованиях и проверках теории выявились серьёзные противоречия следствий с экспериментальными данными. Например, в теории струн обязательно присутствовала частица — тахион (квадрат массы которой меньше нуля, и движущаяся с скоростью большей скорости света) — как одна из колебательных мод струны, что подразумевало под собой нестабильное состояние струны и явно показывало, что теория струн требует модификации.

Теория суперструн

В 1971 году была создана модифицированная теория струн под названием «теория суперструн».

Для понимания модификаций попробуем разобраться с такой характеристикой, как спин. Имеется распространенный вариант объяснения сути спина «на пальцах»: спин — это количество оборотов вокруг своей оси, которые надо сделать частице, чтобы выглядеть так же, как вначале. Для спинов в пределах единицы все вроде понятно (любому предмету неправильной формы можно приписать «спин», равный единице), а для попытки представить себе форму объекта, который надо прокрутить вокруг оси дважды, чтобы он выглядел так же, как вначале, можно посмотреть на иллюстрацию справа. На ней изображен четырёхтактный двигатель, который возвращается в исходное состояние при повороте коленчатого вала на 720°, что является неким аналогом полуцелого спина.

На данный момент считается, что элементарные частицы могут иметь только полуцелый или целочисленный спины. Бозонами называются те частицы, которые имеют целочисленный спин. Фермионы — частицы, у которых спин полуцелый. Исходя из этого, первая версия теории струн описывала только бозоны, из-за чего она также называлась как «бозонная теория струн». Теория суперструн же включала и фермионы — при таком подходе проблема наличия тахионов, как и множество других противоречий в теории разрешались!

Но не обошлось без новых проблем. В теории суперструн получалось, что для каждого бозона должен существовать соответствующий фермион, то есть между бозонами и фермионами должна существовать определённая симметрия. Такой вид симметрии предсказывался и раньше — под названием «суперсимметрия». Но экспериментально существование суперсимметричных фермионов не было подтверждено. Объяснялось это тем, что по расчётам, суперсимметричные фермионы должны обладать огромной для микромира массой, и потому в обычных условиях их не получить. Для того, чтобы зарегистрировать их, нужны огромные энергии, которые достигаются при столкновении лёгких частиц на почти световых скоростях.

Суперсимметричные фермионы и сейчас пытаются зарегистрировать в экспериментах на Большом адронном коллайдере, но пока безуспешно.

Многомерная Вселенная

В то же время уравнения теории суперструн никак не хотели согласовываться с квантовой теорией, выдавая в результате отрицательные или бо́льше единицы вероятности.

Чтобы были понятны предпосылки дальнейшего развития теории, совершим небольшой экскурс в историю. В далёком 1919 году немецкий математик Калуца прислал Эйнштейну письмо, где изложил свою теорию в которой делал допущение, что на самом деле Вселенная может быть четырёхмерной в пространстве, и в доказательство своих слов приводил свои расчёты, из которых получалось, что при таком условии ОТО замечательно согласовывается с теорией электромагнитного поля Максвелла, чего невозможно достичь в обычной трехмерной Вселенной. Современники высмеяли теорию, вскоре и Эйнштейн, изначально заинтересовавшийся теорией, разочаровался в ней.

В 1926 году физик Оскар Клейн тоже заинтересовался работами Калуцы и усовершенствовал его модель. По Клейну получалось, что дополнительное измерение действительно может существовать, но оно находится в «свёрнутом» и зацикленном на самом себе виде. Причём свернуто четвёртое измерение очень туго — до размеров элементарных частиц, поэтому мы его и не замечаем. Теория получила название пятимерного мира Калуцы — Клейна (четыре измерения в пространстве + время), но и она пробыла в забвении вплоть до 80-х годов 20 века.

Ученые в попытке объяснить несоответствия теории струн с квантовой механикой выдвинули предположение, что проблемы в расчётах были из-за того, что струны в нашей теории могут колебаться всего лишь в трёх направлениях, которыми располагает наша Вселенная. Вот если бы струны могли бы колебаться в четырёх измерениях…

Расчёты показали, что и в этом случае проблемы остаются, но зато число противоречий в уравнениях уменьшаются. Исследователи продолжали увеличивать число измерений, пока не ввели целых 9 измерений в пространстве, при которых, наконец-то, теория суперструн сошлась с квантовой механикой и ОТО. Этот момент вошел в историю как «первая революция в теории струн». Именно с этого момента начали раздаваться возгласы, что на самом деле мы живём в десятимерной Вселенной — одно измерение во времени, три знакомых нам измерения развернуты до космических размеров, а остальные шесть свернуты в микроскопических масштабах и потому незаметны.

С практической точки зрения ни подтвердить, ни опровергнуть экспериментально это на данный момент невозможно, так как речь идёт о таких малых масштабах струн и свернутых измерений, которые недоступны для фиксации современной аппаратурой.

При дальнейших разработках ученым удалось в теории установить общий вид шести свернутых измерений, при которых наш мир оставался таким, какой он есть. Этот вид соответствует математическим объектам из группы под названием «многообразия Калаби-Яу» (на илл. справа). Но каких-то многообещающих следствий это не принесло, хотя общий вид этих объектов и вычислили, но точный вид, как оказалось, нельзя установить без эксперимента. А без нахождения точного вида пространства Калаби-Яу нашей Вселенной вся теория суперструн сводилась по сути в гадание на кофейной гуще.

Впрочем, работы продолжались, и постепенно ученым удалось вычленить из общей массы гипотез пять более-менее правдоподобных теорий, которые могли бы описать нашу Вселенную. Это 5 известных суперструнных теорий, при этом все они ра́вно претендовали на звание единственно верной и при этом выглядели несовместимыми между собой, что вызывало у ученых сильную обеспокоенность.

М-теория

Лишь в середине девяностых годов прошлого века произошла так называемая «вторая революция в теории струн». Эдвард Виттен выдвинул гипотезу, что различные суперструнные теории представляют собой различные предельные случаи неразработанной пока 11-мерной М-теории.

Введение ещё одного измерения в целом не нарушает связь квантовой теории и ОТО, и более того — снимает очень многие накопившиеся проблемы в теории суперструн. В том числе успешно скрещивает все пять суперструнных теорий в одну-единственную M-теорию, которая на сегодня является без преувеличения высшим достижением физиков в деле познания Вселенной.

Согласно M-теории получается, что основа Вселенной — не только одномерные струны. Могут существовать и двухмерные аналоги струн — мембраны, и трёхмерные, и четырёхмерные… Эти конструкции были названы бранами (струна — 1-брана, мембрана — 2-брана, и так далее). М-теория оперирует двумерными и пятимерными бранами, но даже базовая теория бран на данный момент все ещё находится в разработке. Существование бран экспериментально не подтверждено — на данном этапе развития теории считается, что браны принципиально ненаблюдаемы.

При всем при этом М-теория при низких энергиях аппроксимируется супергравитацией в одиннадцати измерениях. Связь с гравитацией делает М-теорию претендентом на то, чтобы стать связующей теорией между всеми фундаментальных взаимодействий во Вселенной, или другими словами — «Единой теорией всего».

Однако, проблема с конечным видом пространства Калаби-Яу в М-теории всё ещё остается нерешенной — на макроскопических масштабах теория должна сводиться к известной и очень хорошо проверенной физике элементарных частиц. Но, как выясняется, способов такого сведения существует по меньшей мере 10¹⁰⁰, а то и 10⁵⁰⁰, а то и вовсе бесконечность. При этом каждая из получившихся четырёхмерных теорий описывает свой собственный мир, который может быть похож на реальность, а может и принципиально отличаться от неё.

Всё это из-за того, что свойства частиц считаются способом колебания струн, а возможные способы колебания струн зависят от точной геометрии дополнительных измерений. Существующим приближенным уравнениям удовлетворяет огромное количество разных геометрий. То есть эти уравнения были бы справедливы не только в нашем мире, но и в огромном количестве других миров, а возможно — в любом мире. Будь эти приближенные уравнения окончательными, теорию можно было бы признать нефальсифицируемой по Попперу, то есть ненаучной теорией. А так — нахождение точных уравнений, возможно, всё ещё расставит по своим местам.

В данный момент развитие М-теории осложняется еще и тем, что уравнения её описывающие настолько сложны, что ученые большей частью оперируют только их приближёнными формами, что не ведёт к повышению точности результатов. Более того, часто складывается такая ситуация, что для решения этих уравнений даже соответствующих математических методов не создано, что также создает существенные проблемы. В последнее время там где физика упирается в тупик, на самом деле часто в тупик упирается именно математика. Некоторые ученые говорят, что заметное развитие М-теория получит, только если случится «математический прорыв».

Теория струн и, в частности, М-теория, сегодня является одним из самых динамично развивающихся направлений современной физики. И хотя часть ученых из-за фундаментальных проблем довольно скептически относится к тому, что данная теория в конце концов приведет к физической теории, описывающей наш реальный мир. Существенная часть исследователей не оставляет своих надежд и верит, что в один прекрасный день М-теория таки оформится в элегантную и математически изящную Единую теорию всего.

Надеюсь, что данная статья не оставила Вас равнодушными, и буду очень рад если Вы решите, что не зря потратили время за чтением.

Теория струн объясняется простыми словами — Astrogeekz

Опубликовано 6 августа 2018 г. 17 декабря 2018 г. Автор: astrogeekz

И квантовая физика, и общая теория относительности Эйнштейна очень хорошо работают в соответствующих областях, но крайне несовместимы друг с другом. Теория струн говорит о частице, известной как «гравитон», которая считается квантово-механической частицей, опосредующей силу гравитации. Следовательно, теория струн считается теорией квантовой гравитации и потенциальным кандидатом на роль теории всего.

В этой статье делается попытка объяснить теорию струн простыми словами. Давайте начнем!

Что такое строка?

Теория струн утверждает, что все в нашей Вселенной состоит из крошечных вибрирующих струн. Эти строки являются одномерными объектами и идентичны друг другу. Каждая известная нам фундаментальная частица, такая как электроны, кварки, фотоны, глюоны и т. д., состоит из этих струн.

Причина, по которой кварк кажется отличным от электрона, заключается в том, что оба вибрируют на разных частотах. Эти струны очень маленькие. Считается, что длина струны порядка планковской длины, т. е. 10 ^-35 метров или примерно в 10 ^-20 раз больше диаметра протона. Теория струн работает с двумя типами струн — закрытыми струнами и открытыми струнами.

Открытая струна (слева) и закрытая струна (справа)

Что такое брана?

По мере развития теории струн с годами было обнаружено, что для ее работы требуются дополнительные объекты, известные как браны. Брана в теории струн — это объект, который обобщает понятие точечной частицы на любое количество измерений. Например, точка — это брана нулевой размерности, струна — брана размерности один, плоскость — брана размерности два и так далее. Таким образом, 0-брана — это точечная частица, 1-брана — это струна, а 2-брана — это плоскость.

Струны могут прикрепляться к этим бранам одним или обоими концами (как показано на рисунке ниже).

Открытые струны, прикрепленные к двум бранам на обоих концах

Почему более высокие измерения?

Для работы теории струн четырех измерений (3 пространства + 1 время) недостаточно. Таким образом, теория струн подразумевает, что наша Вселенная должна иметь дополнительные «скрытые» измерения. Где эти дополнительные измерения и почему мы их не видим?

Физики считают, что эти дополнительные измерения свернуты в компактное пространство и слишком малы, чтобы мы могли их наблюдать или обнаруживать. Различные типы теорий струн требуют разного количества измерений для их математической непротиворечивости. Например, в теории бозонных струн (старая версия теории струн) пространство-время 26-мерное, тогда как в теории суперструн (новая версия теории струн) оно всего лишь 10-мерное.

Теория струн также предлагает идею параллельных вселенных. Дополнительные измерения в теории струн могут принимать различные возможные формы, каждая из которых, возможно, соответствует своей собственной вселенной со своими собственными наборами физических законов.

Типы теории суперструн

До 1995 года существовало пять различных версий или типов теории суперструн, каждая из которых была самосогласованной. Этими пятью теориями суперструн были:

• Теория струн типа I,
• Теория струн типа IIA,
• Теория струн типа IIB,
• Гетеротический SO (32) теория струн и
• Гетеротическая E ₈ × E ₈ теория струн

В 1995 году физик Эдвард Виттен настаивал на том, что все эти различные версии могут быть объединены в единую теорию, известную как М-теория (где М может означать мать, магию, тайну или мембрану). М-теория предлагает Вселенную 11 измерений.

Заключение:

Хотя экспериментальных доказательств теории струн нет, она все же дает нам надежду на то, что мы сможем объединить физику. Прелесть теории струн заключается в идее, что все в нашей Вселенной (включая гравитацию) можно свести к фундаментальной идентичности, известной как струна. Помимо теории струн, существует ряд предложенных теорий квантовой гравитации, двумя главными кандидатами являются теория струн и петлевая квантовая теория гравитации (LQG).

LQG пытается объединить гравитацию с квантовой физикой, принимая во внимание геометрическую формулировку Эйнштейна. Он предполагает, что пространство и время квантуются (точно так же, как фотоны в квантовой теории электромагнетизма). И теория струн, и теория LQG имеют свои достоинства и недостатки. Только время покажет, какая из двух теорий выживет, если вообще выживет.

Я хотел бы подытожить эту статью по теории струн знаменитой цитатой Николы Теслы:

«Если вы хотите найти секреты вселенной, подумайте об энергии, частоте и вибрации».

Нравится:

Нравится Загрузка…

Категории: Астрофизика, Квантовая физика

Опубликовано astrogeekz

Astrogeekz — популярное имя в социальных сетях, таких как Instagram, Facebook и YouTube. Наша цель — сделать «Астрономию» и «Космическую науку» популярными в мире.
Посмотреть все сообщения от astrogeekz

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 последнее столетие мы разорвали атомы на части и, в конце концов, нашли электроны и кварки, фундаментальные строительные блоки вещества. 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 со скоростью бесчисленное количество миллиардов раз в секунду в десяти пространственных измерениях, а может, 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 прекрасные, 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 сильные и слабые 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, чтобы описать физику 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, Великую Единую Теорию, которая будет означать, что помнить будет меньше.

Поиск этой Теории Великого Объединения не нов, 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 физическая модель объясняет

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

Каждой элементарной частице соответствуют разные вибрации этого волокнистого материала; 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 приходилось 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 дальше

Если теория струн верна, то для того, чтобы скрыть от нас эти дополнительные измерения, требуются более изощренные 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 вскоре 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.

Больше умопомрачительных объяснений

• Если идея путешествий во времени кажется вам непонятной, 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. Мы не знаем, действительно ли какая-либо из наших идей приближается к окончательной теории или требуется совершенно другой подход.

На самом деле, мы просто не знаем, существует ли вообще теория великого объединения.

Но это не помешает физикам продолжить поиски.

Профессор Герайнт Льюис — астрофизик Сиднейского университета, специализирующийся на темной энергии, гравитационном линзировании и галактическом каннибализме.

Хотите узнать больше о науке со всей Азбуки?

• Следуйте за нами в Twitter
• Подпишитесь на YouTube

Наука в вашем почтовом ящике

Получите все последние научные новости со всей Азбуки.

Адрес электронной почты

Краткий обзор для начинающих

На протяжении веков мы смотрели на Вселенную через множество различных линз, наши модели и теории менялись и уступали место новым, революционным идеям. Не все из них оказываются правильными (или даже находятся в области возможного), но никто никогда не сможет утверждать, что физика скучна. Возможно, это одна из самых интересных, не говоря уже о сложных, концепций, из которых следует исходить. теоретическая физика — это теория струн.

Чтобы понять теорию струн, мы должны сначала изучить несколько вещей, начиная с квантовой физики. В традиционной физике у нас есть так называемые точечные частицы и протяженные частицы. Стандартная модель физики элементарных частиц, которая является окончательной отправной точкой для всего субатомного, говорит нам, что каждая частица, о существовании которой известно, является расширенной частицей, за исключением трех: кварков, бозонов и лептонов. Единственным исключением является электрон.

Протяженные частицы не имеют четко определенной поверхности, вместо этого они больше похожи на атмосферу Земли, которая наиболее плотна у поверхности Земли и становится тоньше с высотой. Протяженные частицы имеют размер, но граница или точное место, где заканчивается протяженная частица, размыта.

Лаборатория Ферми размышляет, «Точечные частицы гораздо более причудливы, и иногда говорят, что они имеют нулевой размер. размер означает, что он имеет бесконечную плотность?» «Ответ на этот вопрос — нет, для протокола, но это лишь одна из многих загадок, окружающих точечные частицы; Однако иногда они существуют в квантовых состояниях, которые придают им массу и заряд.

Только когда мы начали сталкивать частицы друг с другом на чрезвычайно высоких скоростях, мы начали находить и классифицировать все эти различные типы частиц — на ум должен прийти бозон Хиггса. Мы обнаружили, что эти элементарные частицы можно разложить на составные части, такие как кварки. Некоторые из них, например барионы, обладали характеристиками массы и спина (барион принадлежит к семейству кварков и фермионов, что означает, что он участвует в одном из четырех взаимодействий: сильном взаимодействии — то, что ученые в то время пытались понять).

Тем не менее, открытием, которое по-настоящему положило начало исследованиям в области теории струн, стало открытие странной частицы, называемой адроном.

Per the Cern Courier, «В середине 1960-х мы, теоретики, застряли в попытках понять сильное взаимодействие. У нас был пример релятивистской квантовой теории, которая работала: КЭД, теория взаимодействующих электронов и фотонов, но она Казалось безнадежным копировать эту схему для сильных взаимодействий. Одной из причин была сила сильной связи по сравнению с электромагнитной. Но еще более тревожным было то, что существует так много (и постоянно растущее число) различных видов адронов, что мы чувствовал себя в недоумении с теорией поля — как мы могли справиться с таким количеством различных состояний в рамках, подобных КЭД? Теперь мы знаем, как это сделать, и решение называется квантовой хромодинамикой (КХД) ».

КХД, которая была впервые разработана в 70-х годах, подтолкнула к появлению концепции сильного взаимодействия. Она и квантовая электродинамика тесно связаны. Обе считаются примерами особого класса квантовых теорий поля, известных как калибровочные теории, согласно которым частицы теоретически взаимодействуют в результате обмена калибровочными бозонами: фотоном для электромагнитного взаимодействия, бозонами W и Z для слабого взаимодействия. , и глюоны для сильного взаимодействия». Все это, в свою очередь, помогает составить важнейшую Стандартную модель физики элементарных частиц. Приведение нас к…

Первая версия теории струн начинает складываться:

Теория струн в целом преследует множество целей: возможно, самая важная из них — создание «Теории всего», включающей в себя выяснение того, как работает гравитация на микроуровне. Мы добились некоторого прогресса в этом отделе, но вот посмотрите, как все началось и как все сложилось:

Габриэле Венециано — человек, разработавший большую часть основы для того, что впоследствии стало теорией струн. Он написал чрезвычайно важную работу в 1968, которая произвела ударную волну в сообществе теоретической физики. Она называлась « Построение пересекающейся симметричной амплитуды с поведением Редже для линейно восходящих траекторий». объяснить, как сильное ядерное взаимодействие (которое, как считается, связывает вместе протоны и нейтроны, а также составляющие кварки и глюоны внутри протонов и нейтронов) взаимодействовало с адронами Его работа была в основном математической по своей природе, но его расчетов было достаточно, чтобы активизировать сообщество, чтобы лучше понять значение его оригинальной статьи.  

Самый популярный

Несколько лет спустя трое физиков-теоретиков — Йоитиро Намбу из Чикагского университета, Хольгер Нильсен из Института Нильса Бора и Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета — сделали огромное открытие. Математические доказательства и общая работа Венециано, пытающаяся объединить сильное взаимодействие с другими силами, могли бы работать, если бы точечные частицы были превращены в объекты, похожие на струны, которые могли сжиматься, растягиваться и даже вибрировать.

Теория струн заменяет все материальные и силовые частицы вибрирующими струнами, которые извиваются и вращаются сложным образом и которые с нашей точки зрения выглядят как частицы. Например, струна может сгибаться и вибрировать таким образом, что приобретает свойства фотона, а другая струна, сложенная и колеблющаяся по-другому, имеет свойства кварка и т. д.

Проблема с этой теорией заключалась в том, что она потребовала бы 26 различных измерений, и она требует, чтобы существовала частица без массы, которая двигалась бы со скоростью, превышающей скорость света, называемая тахионом (который остается теоретической частицей по сей день), чтобы сделать его работают в соответствии с теорией относительности и квантовой теорией.

Трое упомянутых выше ученых были одними из первых, кто предположил, что преобразование частиц в маленькие петли решит некоторые проблемы с моделью Венециано. Так из чего сделаны эти маленькие струны, спросите вы? Что ж, ответ на самом деле ничего — сами струны составляют все.

Одной из давнишних проблем было то, что в исходной версии теории струн отсутствовало объяснение фермионов, имеющих полуцелое вращение. Так было до тех пор, пока на сцену не вышел Пьер Реймонд, который помог создать теорию струн 2.0.

Рэймонд переформулировал теорию струн, включив в нее спин частиц, что позволило бозонам, фермионам и другим частицам с целочисленными спинами присоединиться к клубу. Кроме того, два других физика, Джон Шварц и Андре Неве из Принстонского университета, еще больше изменили правила игры, создав версию теории струн, которая не должна была согласовываться с квантовой теорией или специальной теорией относительности. Это также убрало из картины необходимость в тахионе и 26 измерениях, сократив количество необходимых измерений до 10. Это стало известно как теория суперструн.

Взгляд на теорию суперструн:

Теория суперструн (иногда называемая теорией суперсимметричных струн) добавляет к исходной теории несколько дополнительных частей, таких как удвоение числа частиц в стандартной модели и замена нескольких других частей. Например, в нем говорится, что все известные частицы можно в основном разделить на два типа: фермионы и бозоны. Загвоздка в том, что эти две частицы очень зависят друг от друга — для каждого фермиона и для каждого бозона должен быть свой бозон. К тому же каждая известная и пока еще неизвестная нам частица должна иметь своего «суперпартнера».

Журнал Symmetry отмечает: «В начале 1980-х годов теоретики поняли, что саму Стандартную модель можно сделать суперсимметричной и что это расширение решит некоторые неприятные проблемы с теорией. Например, малая масса бозона Хиггса печально известна трудно объяснить — его вычисление требует вычитания двух очень больших чисел, которые просто немного отличаются друг от друга».

Элоди Рессеги, постдоктор из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США, добавляет: «Но если вы добавите суперсимметрию, это позаботится обо всех этих вычислениях, так что вы можете получить легкую массу Хиггса, не нуждаясь в такой удаче».

Самый большой вывод заключается в том, что вы можете заменить нульмерные элементарные объекты одномерными элементарными составляющими или строками. Вселенная с точки зрения теории суперструн в основном говорит нам, что все в своей основе состоит из этих крошечных струн. Мы воспринимаем эти струны как частицы, основываясь на том, как они вибрируют, когда соединяются вместе, что-то вроде игры разных нот на скрипке или гитаре.

Здесь важно отметить, что не все строки зациклены вместе. Некоторые из них открытые (с двумя концами), а две другие переплетаются вместе, образуя замкнутые струны. Должно существовать небольшое напряжение, чтобы вызвать различные виды вибрации, поэтому мы можем интерпретировать эти вибрации как элементарные частицы.

Открытая струна против закрытой струны (Источник: Xoneca/Wikimedia Commons)

Помните, как я говорил, что математика теории струн первоначально работала только с 26 измерениями пространства-времени, но с теорией суперструн она неизбежно сократилась до 10? Это по-прежнему звучит безумно для людей, которые, кажется, живут в реальности с тремя пространственными измерениями и одним временным измерением, но, надеюсь, мы сможем упростить понимание этих дополнительных деталей.

История дополнительных измерений и понимания;

Двое из первых, кто предположил, что могут существовать дополнительные измерения, — создатели того, что впоследствии стало известно как теория Калуцы-Клейна, — также помогли заложить основу самой теории струн, когда они начали работать над объединением электромагнетизма с гравитация. В своей работе они предположили, что существует не четыре, а пять измерений пространства. Однако одно из них резко отличается от других. Фактически, оно может быть свернуто само по себе посредством процесса, называемого компактификацией. Это также означает, что в этом сжатом измерении есть только гравитация и нет электромагнетизма 9.0007

Дэвид Берман, преподаватель теоретической физики Лондонского университета королевы Марии, представляет это в перспективе: «Мы привыкли жить в четырех измерениях. Если вы договариваетесь о встрече, вам нужно предоставить еще одну информацию: время встречи, скажем, 15:00. С помощью четырех координат можно описать любое событие. Мы не склонны смешивать время с пространственными измерениями, но если подумать, любое событие действительно происходит в пространстве-времени с четырьмя измерениями. можно измерять разницу во времени точно так же, как вы можете измерять разницу в пространстве — мы измеряем разницу в пространстве линейкой, а разницу во времени — часами. .»

«Из этого мы можем извлечь урок: наше человеческое восприятие измерений ограничено. Мы воспринимаем только три измерения. Мы можем понять, что время — это дополнительное измерение, дополнительное место для любого события, но мы не видим времени в точно так же. Мы ощущаем это совершенно иначе, чем пространственные измерения как человеческие существа. Это намекает на то, что человеческое восприятие вещей может не быть концом истории с точки зрения того, что возможно ».

«Математически количество измерений — это просто количество координат, необходимое для указания точки. Мы знакомы с определением точек в четырехмерном пространстве-времени, но можете ли вы представить себе пространство, в котором вам нужно пять битов информации? Или шесть «Или семь…» Математики регулярно работают в многомерных пространствах, но они не единственные. Например, если вы работаете звукорежиссером, создавая музыку, вы можете работать с 12, 24 или даже 128 дорожками. музыка, каждая из, скажем, 24 дорожек имеет определенную громкость, определяющую точку в 24-мерном звуковом пространстве. Количество измерений — это просто количество битов информации, необходимое для указания точки».

Запутался? Ага. Исследование Калуцы и Клейна не сразу стало предметом спекуляций — его объяснение квантовой гравитации было слабым. Более того, по мере дальнейшего развития квантовой физики она не учитывала сильные и слабые ядерные взаимодействия. Однако новую жизнь вдохнули в нее, когда в 1970-х годах была разработана теория Янга-Миллса. Это была попытка объединить все фундаментальные силы, кроме гравитации, в конечном счете объединив слабые ядерные взаимодействия с электромагнетизмом. Ее можно рассматривать как наиболее симметричную теорию поля, не учитывающую гравитацию.

Затем начали обретать форму другие теории… Например,

Теория струн на стероидах: Теория суперструн

Теория суперструн, или суперсимметричная теория струн, — это то, что получается, когда теория струн объединяется с концепцией суперсимметрии. Если вы не знакомы с суперсимметрией, соберитесь..

В стандартной модели физики элементарных частиц есть по существу две группы фундаментальных частиц: мы называем их бозонами и фермионами. Первые опосредуют фундаментальные силы как частицы с целочисленным спином. а последние имеют полуцелый спин и состоят из материи.

Большинство физиков-теоретиков полагали, что бозоны и фермионы каким-то образом связаны, но математика предполагала обратное. Вот почему родилась идея суперсимметрии.

В качестве примера посмотрите видео ниже, в котором эксперт из Фермилаб помогает объяснить, как работает концепция суперсимметрии самым простым способом: как фермионы или бозоны на основе свойства, известного как спин. Все фермионы имеют половину единицы спина, а бозоны имеют 0, 1 или 2 единицы спина. Суперсимметрия предсказывает, что каждая из частиц в Стандартной модели имеет партнера с спин, который отличается на половину единицы. Таким образом, бозоны сопровождаются фермионами и наоборот. С их различием в спине связаны различия в их коллективных свойствах. Фермионы очень сдержанны, каждый должен быть в другом состоянии. С другой стороны, бозоны очень клановые, они предпочитают находиться в одном и том же состоянии. Фермионы и бозоны кажутся настолько разными, насколько это возможно, но суперсимметрия объединяет эти два типа».

Он делает это с новой частицей, бозоном Хиггса. Хотя Стандартная модель, кажется, предсказывает, что все частицы должны быть безмассовыми, это противоречит экспериментальным наблюдениям. Бозон Хиггса обеспечивает эту массу. В то же время «дополнительные частицы, предсказанные суперсимметрией, нейтрализуют вклады в массу Хиггса их партнеров по Стандартной модели… Новые частицы будут взаимодействовать посредством тех же сил, что и частицы Стандартной модели, но у них будут другие массы. Если бы суперсимметричные частицы были включены в Стандартную модель, взаимодействие ее трех сил — электромагнетизма, сильного и слабого ядерных взаимодействий — могло бы иметь точно такую ​​же силу при очень высоких энергиях, как и в ранней Вселенной».

Новая теория также предсказала большинство известных частиц и новую частицу со спином 2, «гравитон», которая является кандидатом на роль носителя гравитационной силы.

Со временем физики придумали пять различных версий теории суперструн, а именно Тип I, Тип IIA, Тип IIB, Гетеротическая и Гетеротическая с калибровочной симметрией E(8) x E(8).

Первая революция суперструн привлекла большое внимание. В 1995 году Эдвард Виттен, теоретик из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, утверждал, что каждая из пяти теорий струн на самом деле представляет собой приложение более фундаментальной 11-мерной теории. Этот единый подход в народе называют «М-теорией».

Дополнительные измерения теории струн

Мы оставили незавершенным обсуждение дополнительных измерений, когда говорили о теории суперструн. Давай продолжим.

Теория струн поддерживает 10 измерений, 3 из которых бесконечны и доступны для наблюдения. Итак, где остальные 6 пространственных измерений?

Они прямо здесь, но свернуты на себя, т.е. компактифицированы.

Дополнительные измерения присущи математическому понятию «многообразие». Возьмем, к примеру, относительно большую сферу и поместим над ней муравья.

Поверхность сферы покажется муравью плоской. Итак, у нас есть «локальная» форма (плоская поверхность) и «глобальная» форма (сфера). Сфера в данном случае является примером двумерного многообразия.

То же самое и с нашим миром.

Мы живем в трехмерном многообразии. Даже если не принимать во внимание постулаты теории струн, общая теория относительности предполагает четвертое измерение, гравитацию, и всеобщее явление описывается с помощью искривления этого дополнительного измерения.

Таким образом, мы легко можем заключить, что многообразие может обладать кривизной и другими нетривиальными свойствами.

Источник: Andrew J. Hanson/Wikimedia Commons

Многообразие Калаби-Яу представляет собой класс 6-мерных многообразий и является предметом изучения в теории струн. Они прекрасно предсказывают несколько реалистичных теорий в четырехмерном пространстве-времени.

Мы в значительной степени опирались на ранее обсуждавшуюся идею Калуцы-Клейна о компактификации. Дополнительные измерения — это просто компактное многообразие, которое слишком мало, чтобы мы могли его обнаружить.

Кроме того, М-теория расширяет 10 измерений теории струн и работает с 11 измерениями.

В заключение: действительно ли теория струн является «теорией всего»?

Стандартная модель физики элементарных частиц, хотя и является очень важной частью понимания того, как работает Вселенная в микромасштабе, все же не лишена недостатков. Тем не менее, это определенно наш лучший инструмент, когда дело доходит до создания решающей модели теории струн.

Самое главное, у нас есть квантовая механика, общая теория относительности, квантовая теория поля и многие другие модели, чтобы получить представление о том же предмете, что и Вселенная.

Разве они не могут быть как-то связаны? Разве квантовая механика и гравитация не должны подпадать под общую структуру? Да, должны.

Теория Всего — это наша попытка объединить различные теоретические модели для исследования Природы . Теория струн оказалась самым сильным кандидатом на такой единый подход.

Неожиданно предсказано квантование гравитации с помощью гравитонов. Так почему же это не окончательное открытие?

Теория струн несколько успешна в объяснении многих сложных явлений, в первую очередь черных дыр. Черные дыры — это очень маленькие объекты с очень большой массой, и для их изучения требуется общая теория относительности, а также квантовые состояния.

Теория струн также позволила по-новому взглянуть на кварк-глюонную плазму, и была установлена ​​связь между квантовой теорией поля и теорией струн, называемая AdS/CFT-соответствием.

Теория струн дала многочисленные результаты, некоторые из которых могут показаться абсурдными или непонятными. Например, он использовался для предсказания существования 10 ⁵⁰⁰ вселенных или массивной мультивселенной.

Однако теория струн столкнулась со многими неудачами. Модели теории струн основаны на суперсимметрии, которую, как и дополнительные измерения, еще предстоит наблюдать. Модели также критикуют за их неспособность адекватно описать расширяющуюся вселенную.

Но что поражает научное сообщество, так это постоянное возвращение этой спорной теории. Возможно, в значительной степени это связано с полезностью задействованной математики, которая высветила связи между различными областями математики, вдохновив множество новых идей и подходов.