Вместо теории струн со всеми десятью пространственно-временными измерениями или знакомой нам Вселенной с четырьмя протяжёнными измерениями снова рассмотрим вселенную Садового шланга. В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно. одно из направлений теоретической физики (можно сказать - физики элементарных частиц). Теория струн применима к познанию строения микромира не в том смысле, что там кругом висят верёвочки, а что описание происходящих в микромире процессов математически сходно с описанием неких “струн”. Теория струн, вероятно, это одна из самых интригующих гипотез в мире науки.
Квантовая теория струн
Чтобы изучать структуру частиц, был придуман особый способ: «бомбардировать» объект другими, более мелкими частицами, и изучать, каким образом они разлетаются в разные стороны. Вы можете проделать такой эксперимент дома: взять два предмета, например, коробку и кастрюлю. И покидать в них небольшой резиновый шарик. Шарик будет по-разному отскакивать от ровных стенок коробки и скругленных стенок кастрюли — наших экспериментальных объектов. Немного тренировок — и только по тому, куда отлетает шарик, вы скажете, что именно за предмет сейчас подвергается бомбардировке, даже если не будете на него смотреть.
Ученые накопили достаточно статистики, чтобы успешно применять этот принцип. Удалось определить, что одни частицы, например, входящие в состав атома протоны и нейтроны имеют составную структуру, а электроны и многие другие частицы… не состоят из чего-либо меньшего размера, то есть на языке физики являются «бесструктурными». Состоять из ничего Что значит «не имеет структуры»? На этот вопрос Стандартная модель ответа не имеет и предпочитает сильно не задумываться.
На самом деле есть всего два варианта: либо вещество можно бесконечно делить на мелкие составляющие что маловероятно , либо мы рано или поздно должны дойти до каких-то минимальных объектов, которые образуют все остальные. В качестве решения проблемы структуры частиц в середине прошлого века была предложена теория струн. В ней все частицы состоят из мельчайших «петель» — струн размером всего лишь 10-33 см.
Про гравитацию на настоящий момент мы знаем только то, что есть классическая теория гравитации — Общая Теория Относительности ОТО , и что наши наблюдательные возможности не позволяют нам наблюдать ни эффектов квантовой гравитации, ни наличие каких либо поправок к предсказаниям ОТО. То есть, с точки зрения физического метода тут царит полная гармония. А именно, имеющаяся теория полностью соответствует имеющемуся эксперименту.
Тут надо ждать новых экспериментов, результаты которых разойдутся с теорией. Тогда появится необходимость эту теорию исправлять. Заметим, что это одна из надежд, по-прежнему возлагаемых по настоящий момент на Большой Адронный Коллайдер. Таким образом, при обсуждении проблем, связанных с созданием теории Великого Объединения, в современной физике можно проследить следующие направления. Либо ее признаки содержатся в стандартной модели, либо их надо усматривать в Общей Теории Относительности. Попробуем разобраться в этой ситуации.
Можно было бы предположить, что на место стандартной модели на более фундаментальном уровне придет какая-то модель великого объединения, обладающая более высокими внутренними симметриями, или, большинство полей стандартной модели окажутся чем-то вроде частиц, составленных их полей какой-то иной, более фундаментальной природы. Однако, попытки найти подобное построение в рамках принятой локальной теории, в которой все частицы являются точечными, с неизбежностью приводит к существованию в такой теории ультрафиолетовой высокоэнергетической бесконечности, природа, которой заключена именно в точечности фундаментальных объектов. Поэтому, все с той же необходимостью, приходим к утверждению, что современная стандартная модель есть не что иное, как низкоэнергетический предел какой-то более универсальной модели. Формальным подтверждением этого является известный факт, что все динамические уравнения обсуждаемой модели являются дифференциальными уравнениями второго порядка. Этот факт известен любому, кто изучал физику хотя бы в объеме средней школы. И он получает свое логическое объяснение, если признать, что фундаментального закона природы тут просто нет, а есть описание низкоэнергетического приближения к этому закону.
Другими словами, ключевые свойства стандартной модели являются серьезнейшим указанием на ее нефундаментальность — фундаментальную теорию надо искать где-то в другом месте. Возможно, что направление этих поисков может указать нам гравитация. Попробуем проанализировать ситуацию, связанную с основными проблемами этой теории. Основные проблемы данной теории можно охарактеризовать следующим образом. Во-первых, это проблемы чисто математического характера. Эти проблемы связаны с сильной нелинейностью уравнений поля — уравнений Эйнштейна.
В связи с этой нелинейностью становится весьма проблематичным не только решение этих уравнений, но и совмещение полученных решений этих уравнений с принципом суперпозиции сумма решений уравнений тоже является их решением. В случае нелинейных уравнений сумма найденных решений уравнения не является его решением. А если учесть, что принцип суперпозиции является математическим выражением корпускулярно-волнового дуализма частица в определенных условиях может проявлять волновые свойства , глубинная суть этой проблемы становится очевидной. Во-вторых, это проблемы, носящие концептуальный характер. Данные проблемы проявляют себя следующим образом. В ОТО гравитационное поле проявляет себя, как кривизна пространства-времени.
Следовательно, возникает вопрос о том, как понять квантованное пространство-время. С этим моментом связано появление различных картин квантовой гравитации от пространственно-временной пены Хокинга до квантовой петлевой гравитации Аштекара, в которых привычное пространство время на квантовом уровне либо распадается на четырехмерные причинно несвязанные шары образующие «пену», либо «заплетается», как кольчуга колечками, имеющими размеры порядка планковских.
Это означает, что теория суперструн близка к тому, чтобы потерять ключевое свойство научной теории — фальсифицируемость. В течение 2005 года неоднократно высказывались предположения [4] , что прогресс в этом направлении может быть связан с включением в эту картину антропного принципа: мы существуем именно в такой Вселенной, в которой наше существование возможно. Вычислительные проблемы[ ] С математической точки зрения, ещё одна проблема состоит в том, что, как и квантовая теория поля , большая часть теории струн всё ещё формулируется пертурбативно в терминах теории возмущений. Несмотря на то, что непертурбативные методы достигли за последнее время значительного прогресса, полной непертурбативной формулировки теории до сих пор нет. Текущие исследования[ Изучение свойств чёрных дыр[ ] В 1996 г. В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определенного класса чёрных дыр , а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию.
Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений , которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого. Реальным процессам образования чёрных дыр Строминджер и Вафа противопоставили конструктивный подход. Они изменили точку зрения на образование чёрных дыр, показав, что их можно конструировать путем кропотливой сборки в один механизм точного набора бран, открытых во время второй суперструнной революции. Имея в руках все рычаги управления микроскопической конструкцией чёрной дыры , Строминджер и Вафа смогли вычислить число перестановок микроскопических компонентов чёрной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, например масса и заряд , остаются неизменными. После этого они сравнили полученное число с площадью горизонта событий чёрной дыры — энтропией , предсказанной Бекенштейном и Хокингом, — и получили идеальное согласие. По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии. Проблема, стоявшая перед физиками в течение четверти века, была решена. Для многих теоретиков это открытие было важным и убедительным аргументом в поддержку теории струн.
Разработка теории струн до сих пор остается слишком грубой для прямого и точного сравнения с экспериментальными результатами, например, с результатами измерений масс кварка или электрона. Теория струн, тем не менее, дает первое фундаментальное обоснование давно открытого свойства чёрных дыр, невозможность объяснения которого многие годы тормозила исследования физиков, работавших с традиционными теориями. Даже Шелдон Глэшоу, Нобелевский лауреат по физике и убеждённый противник теории струн в 1980-е гг. Струнная космология[ ] Существует три основных пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель. Во-первых, в духе современных исследований, всё более проясняющих ситуацию, из теории струн следует, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер. Этот вывод меняет представление о структуре Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва , для которого в стандартной модели получается нулевой размер Вселенной. Во-вторых, понятие T-дуальности, то есть дуальности малых и больших радиусов в его тесной связи с существованием минимального размера в теории струн, имеет значение и в космологии. В-третьих, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырёх, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений. Модель Бранденберга и Вафы[ ] В конце 1980-х гг.
Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа сделали первые важные шаги к пониманию того, к каким изменениям в следствиях из стандартной космологической модели приведет использование теории струн. Они пришли к двум важным выводам. Во-первых, по мере движения назад к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до момента, когда размеры Вселенной по всем направлениям сравняются с планковской длиной. В этот момент температура достигнет максимума и начнёт уменьшаться. На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления. Предположим для простоты следуя Бранденбергеру и Вафе , что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. Из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. Поскольку температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению роста температуры и её дальнейшему снижению.
Однако, в 1926 году на сцену вышел великий Вернер Гейзенберг со своим принципом неопределенности и все изменилось в одночасье. Благодаря развитию темы принципа неопределенности ученые смогли сформировать новую теорию струн. Ее парадигма подразумевает существование большого количества измерений.
Кроме того, теория струн говорит, что мир состоит не из частиц, а из вибрирующих нитей — тех самых струн.
Современное состояние теории струн
Я никогда не слышал от них такого утверждения и думаю, они не могут его сделать. Мы, правда, тоже не можем ничего такого заявить на данном уровне развития технологии — в этом смысле мы с ними в равных условиях. Есть ли какие-нибудь еще теории? За годы их было довольно много скажем, причинная динамическая триангуляция , но ни одна из них не была доведена до уровня теории струн или теории петлевой гравитации.
В частности, конечно, в вопросах внутренней непротиворечивости последних была проделана огромная работа, намного опередившая остальных конкурентов. Конечно, теории отдельно проверялись в экстремальных теоретических экспериментах — например, насколько хорошо та или иная теория описывает физику в окрестности, скажем, сверхмассивных черных дыр. Это ведь очень полезная работа — посмотреть на теорию в экстремальных условиях.
Даже если мы не можем получить нужные условия экспериментально, такой подход бывает очень плодотворным. Недавно, например, в таком теоретическом эксперименте были получены довольно интересные результаты. Тут снова надо сделать небольшое отступление в прошлое.
В 70-х годах прошлого века Стивен Хокинг заинтересовался вот каким вопросом: что происходит с материей, когда она падает в черную дыру? Ученые до него сказали бы, что все понятно — материя падает, пропадает, она в черной дыре, конец. Однако Хокинг обнаружил, что черные дыры могут излучать.
Это означает, что как минимум часть материи, попавшей в черную дыру, попадает наружу в виде излучения. Свое открытие Хокинг сделал, добавив в теорию относительности немного квантовой механики. Он не объединил эти теории полностью, но объединил их в достаточной мере, чтобы делать конкретные космологические предсказания, которые позволяли кое-что в этой самой космологии объяснить.
В 1997 году Хокинг уже на пару с Кипом Торном заключил пари на полное издание Британской энциклопедии с Джоном Прескиллом, профессором Калифорнийского технологического института и директором Института квантовой информации. Прескилл утверждал, что информация в черной дыре не исчезает — просто мы не в состоянии расшифровать то, что дыра излучает. В августе 2004 года на Международной конференции по общей теории относительности и космологии в Дублине Хокинг признал правоту Прескилла и предложил примерный механизм излучения информации правда, не принятый до конца научным сообществом.
Как бы то ни было, возник вопрос. Квантовая механика требует, чтобы информация сохранялась. Это означает, что излучение дыры должно нести информацию о том, что в нее попало.
Однако расчеты Хокинга показали, что излучение дыры имеет тепловой спектр. Это означает, что дыра излучает как абсолютно черное тело определенной температуры — в частности, это излучение не несет никакой информации о том, что в эту самую дыру упало. Возникает проблема исчезновения информации в черной дыре, которую сам Хокинг считал вовсе не проблемой, а просто законом природы.
Мол, так устроена жизнь и информацию можно уничтожить. Потом пришла теория струн. И только совсем недавно, летом 2012 года, когда физики стали разбираться в тонкостях того, что происходит с информацией в черной дыре, как она «вырывается» наружу, они обнаружили, что три факта о черных дырах, которые до последнего времени считались верными, на самом деле противоречат друг другу.
Речь идет о представлении горизонта событий черной дыры как гладкого региона пространства, в окрестностях которого ничего особенного, вообще говоря, не происходит; представлении о том, что квантовая механика унитарна то есть, в частности, требует сохранения информации , а также о том, что при достаточно низких энергиях на достаточном удалении от самой дыры применимы методы квантовой теории поля. Как разрешить это противоречие, пока никто не знает. Это, кстати, заставляет уже многих ученых ставить под сомнение саму теорию струн.
Например, тот же Леонард Зюскинд, которого я упоминал выше, в связи с этим парадоксом выдвинул гипотезу, что, мол, теория струн в современном понимании, возможно, не полностью квантует гравитацию. А мы в это верили многие десятилетия. И это здорово, это именно то, что нужно — пусть не реальные эксперименты, а теоретические, но они заставляют ученых пересматривать теорию.
Это чем-то напоминает зеркальную симметрию, о которой мы говорили раньше, только это соответствие более кардинальное. Дело в том, что на первый взгляд между этими теориями нет вообще ничего общего, ничего, что даже отдаленно могло бы их связывать. Но дело даже не в том, что две такие разные теории оказываются одним и тем же.
Ее просто нет в уравнениях. А раз нет гравитации, то, значит, нет и проблем с унитарностью — ведь они появляются только в присутствии гравитации. Из этого, например, можно с уверенностью заключить, что всякая квантовая теория гравитации должна быть унитарной.
Я даже больше скажу — в ту половину двойственности, которая с гравитацией, можно вписать черную дыру. Но при переходе к суперсимметричной части двойственности черная дыра превращается просто в нагретое скопление частиц. Такой объект, конечно, унитарен.
Значит, и черные дыры в теории струн должны быть унитарны и никакая информация никуда не девается. Кроме таких вот теоретических построений эта двойственность где-нибудь еще используется? Да, конечно.
Оказалось, например, что если вам нужно работать с кварк-глюонной плазмой этим, в частности, занимаются физики на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Нью-Йорке , стандартные методы теории поля не очень помогают — математика оказывается очень сложной. А в теории струн математика, как ни странно, оказывается проще. То есть эта двойственность помогает при помощи теории струн узнать что-то о частицах.
Тут, правда, надо сделать замечание. Но она в некотором смысле близка к действительности — эта близость объясняется высокими температурами. И эта близость позволяет получать результаты, которые остаются верны и на самом деле.
В заметке в Quanta Magazine утверждалось, что физикам удалось обнаружить связанный с ней замечательный объект... О, вы говорите про амплитуэдр! Да, про него.
Амплитуэдр глазами художника Это очень интересный и важный результат. Дело в том, что может так случиться, что традиционные методы вычислений в квантовой теории поля, разработанные еще самим Ричардом Фейнманом, не оптимальны. Точнее, даже совсем не оптимальны — вычисления можно делать легче и быстрее.
В частности, это может объяснить, почему эти самые вычисления такие сложные — редко когда удается посчитать что-то с точностью выше второго-третьего порядков. Авторы работы про амплитуэдр, по сути, пытаются свести расчеты к вычислению объема некоторой очень сложной, красивой, многомерной фигуры. Как вычислить объем такой фигуры?
Нужно поместить ее в подходящую многомерную воду и посмотреть на объем, который она вытолкнет. Но если я разобью эту фигуру на миллион кусков, то измерить тот же объем в миллион раз сложнее — нужно померить объем каждого куска и сложить их. Диаграмма Фейнмана Вполне может оказаться, что диаграммы Фейнмана — это и есть разбиение амплитуэдра на куски и последовательное измерение объема каждого из них.
А физики под руководством профессора физики Института перспективных исследований в Принстоне Нима Аркани-Хамеда просто хотят вычислить все вещи скопом. В заключение не могу не спросить вас о вашей книге и мультимедийном спектакле «Икар на краю времени».
Вклад в единое поле физики элементарных частиц Квантовая теория струн играет важную роль в поиске единой теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы.
Она предлагает новый подход к объединению гравитации и других фундаментальных сил, таких как электромагнитная, сильная и слабая силы. Квантовая теория струн может быть ключом к пониманию природы и происхождения всех фундаментальных частиц и взаимодействий. Кроме того, квантовая теория струн может предложить новые модели элементарных частиц, которые могут быть проверены экспериментально.
Она может предсказать существование новых частиц, таких как суперсимметричные партнеры известных частиц, которые могут быть обнаружены на ускорителях частиц или в космических экспериментах. Перспективы и возможности для дальнейших исследований Квантовая теория струн остается активной областью исследований, и у нее есть много перспектив и возможностей для дальнейших разработок. Ученые продолжают исследовать различные аспекты теории струн, такие как сверхсимметрия, дополнительные измерения и свойства струнных моделей.
Одной из перспективных областей исследований является разработка математических методов и техник, которые позволят более точно описывать и анализировать свойства и поведение струнных моделей. Это может привести к новым математическим открытиям и развитию смежных областей физики и математики. Кроме того, квантовая теория струн может иметь практические применения в различных областях, таких как квантовые вычисления, криптография и материаловедение.
Исследования в этих областях могут привести к разработке новых технологий и приложений, которые могут иметь значительный вклад в науку и технологию. Критика и альтернативные подходы Квантовая теория струн, несмотря на свою значимость и потенциал, также подвергается критике и вызывает дискуссии среди ученых. Вот некоторые из основных критических моментов и альтернативных подходов, которые были предложены: Ограничения и проблемы квантовой теории струн Одним из основных ограничений квантовой теории струн является ее сложность и математическая трудность.
Формализм теории струн требует использования высокоабстрактных математических концепций, таких как теория операторов и топология. Это делает ее трудно доступной для понимания и применения в практических расчетах. Кроме того, квантовая теория струн страдает от проблемы отсутствия экспериментального подтверждения.
В настоящее время нет прямых экспериментальных данных, которые могли бы подтвердить или опровергнуть предсказания теории струн. Это ограничивает ее статус как научной теории и вызывает сомнения в ее достоверности. Альтернативные модели и гипотезы Существуют альтернативные модели и гипотезы, которые предлагают альтернативные подходы к объединению гравитации и квантовой механики.
Некоторые из них включают: Петлевая квантовая гравитация: Это альтернативная теория, которая основана на квантовании гравитационного поля в терминах петель. Она предлагает другой математический формализм и подход к описанию гравитации, который может быть более фундаментальным и ближе к экспериментальным данным. Теория супергравитации: Это теория, которая объединяет гравитацию и суперсимметрию.
Она предлагает другой подход к объединению фундаментальных взаимодействий и может быть более простой и понятной, чем квантовая теория струн. Нелокальные теории: Это класс теорий, которые предлагают изменить принцип локальности, который является основой квантовой теории струн. В нелокальных теориях взаимодействия могут распространяться на большие расстояния и быть связаны с неклассическими эффектами.
Эти альтернативные модели и гипотезы предлагают другие подходы к объединению гравитации и квантовой механики и могут быть объектом дальнейших исследований и экспериментов. Дискуссии и перспективы развития будущих теорий Дискуссии и дебаты вокруг квантовой теории струн и ее альтернативных подходов продолжаются в научном сообществе.
Они больше похожи на землетрясение. Поскольку гравитационное поле вплетено в саму ткань пространства-времени, квантовые флуктуации сотрясают всю его структуру вдоль и поперёк. Математические методы, используемые для анализа таких всеобъемлющих квантовых флуктуаций, перестают работать. В течение многих лет физики смотрели сквозь пальцы на эту проблему, потому что она возникает только при весьма экстремальных условиях. Гравитация вступает в игру, когда объекты очень массивны, а квантовая механика — когда их размер очень мал. Редко бывает, чтобы предмет был одновременно и массивный, и малым. Однако подобные ситуации возникают. Когда гравитация и квантовая механика применяются для описания или Большого взрыва, или чёрных дыр, то есть когда действительно огромная масса вещества сжимается до небольших размеров, математические методы перестают работать.
Насколько массивным и малым должна быть физическая система, для того чтобы и гравитация, и квантовая механика играли существенную роль. Ответ такой — масса, примерно в 109 раз превышающая массу протона, так называемая масса Планка, сжатая до фантастически малого объёма примерно 10-99 кубического сантиметра грубо говоря, это сфера с радиусом 10-33 сантиметра с так называемой планковской длиной. Таким образом, расстояние, на котором квантовая гравитация вступает в права, в миллион миллиардов раз меньшее расстояния, достижимого на самых мощных в мире ускорителях. Такая огромная неисследованная территория легко может быть населена новыми полями и их частицами — и кто знает, чем ещё. Однако в середине 1980-х годов в физическом сообществе поползли слухи, что в направлении объединения произошёл серьёзный теоретический прорыв в рамках подхода, названного теорией струн. Теория струн Хотя теория струн имеет репутацию сложной теории, её основная идея очень простая. Стандартная точка зрения, до теории струн, состояла в том, что фундаментальные составляющие являются точечными частицами — точками без внутренней структуры, — которые описываются уравнениями квантовой теории поля. Теория струн бросает вызов такому представлению, утверждая, что частицы не являются точечными. Вместо этого, предлагается рассматривать их как крошечные, струноподобные вибрирующие нити. При более детальном рассмотрении, говорит теория, вы увидите, что струны в частицах разного типа неразличимы, но вибрируют они по-разному.
Электрон менее массивен чем кварк, и согласно теории струн, это означает, что струна электрона вибрирует менее энергично, чем струна кварка. Различные свойства частиц объясняются разным вибрационным поведением нитей в теории струн, подобно тому как разные вибрации гитарных струн порождают звучание разных музыкальных нот. По причине бесконечно малого размера струны, порядка планковской длины — 10-33 сантиметра, даже самые точные современные эксперименты не могут подтвердить или опровергнуть протяжённую структуру струны. БАК, на котором частицы сталкиваются друг с другом при энергиях, превышающих в 10 триллионов раз энергию покоящегося протона, может добраться до расстояний примерно 10-19 сантиметра; это миллионная от миллиардной доли толщины волоса, но всё же оно слишком велико, на много порядков больше планковских расстояний. Поэтому струны выглядят как точки, даже если их изучать на самых мощных в мире ускорителях частиц. Тем не менее, согласно теории струн, частицы являются струнами. В этом, в двух словах, и заключается теория струн. Струны, точки и квантовая гравитация Следует подчеркнуть три особо важных момента. Во-первых, когда учёные физики предлагают модель описания природы с помощью квантовой теории поля, они также выбирают поля, которые войдут в теорию. Этот выбор диктуется экспериментальными ограничениями, а также теоретическими предпосылками.
Главным примером является Стандартная модель. Рассматриваемая как венец достижений физики частиц XX столетия благодаря своей способности правильно описывать большое количество данных, собранных на ускорителях частиц по всему миру, Стандартная модель является квантовой теорией поля. Стандартная модель, безусловно, крайне успешна, но многие физики полагают, что по-настоящему фундаментальное понимание не требует такого разношёрстного набора ингредиентов. Впечатляющее свойство теории струн состоит в том, что частицы определяются самой теорией: разные типы частиц соответствуют разному вибрационному поведению струны. Тогда потенциал и перспективы теории струн заключаются в том, чтобы превзойти квантовую теорию поля путём получения всех свойств частиц математически. Теория струн строится непоследовательными приближениями к полному описанию природы. Она предлагает полное описание с самого начала. Во-вторых, среди возможных вибраций струны есть одна, обладающая всеми нужными свойствами для того, чтобы быть квантовой частицей гравитационного поля. Исследования выявили свойства, которыми будет обладать гипотетическая частица — получившая название гравитон, — соответствующая квантовому гравитационному полю. Было показано, что гравитон должен быть безмассовым, не иметь заряда и обладать квантовомеханическим свойством, известным как спин-2.
В-третьих, как бы ни была радикальна теория струн, она идёт по протоптанному пути, известному в истории физики. Специальная теория относительности расширяет наше понимание мира высоких скоростей; общая теория относительности идёт дальше и учитывает большие массы; квантовая механика и квантовая теория поля вводят нас в мир малых расстояний. Понятия, привлекаемые этими теориями, и предсказываемые ими свойства непохожи ни на что известное ранее. Более того, если применять эти теории в привычных рамках доступных нам скоростей, размеров и масс, они сведутся к описаниям, открытым до XX столетия — к классической механике Ньютона и классическим полям Фарадея, Максвелла и других. Теория струн могла бы претендовать на существенный отрыв от своих предшественников и отступить от нарисованной схемы ниже. Замечательно, что этого не происходит. Теория струн достаточно революционна для преодоления барьеров физики двадцатого столетия. При этом она достаточно консервативна, чтобы прошедшие три столетия открытий смогли уютно разместиться в её математическом аппарате. Пространственные измерения В первые годы исследований по теории струн физики столкнулись с фатальными математическими изъянами, например, спонтанное возникновение или исчезновение энергии. В 1970-х многие думали, что от теории струн необходимо отказаться.
Но некоторые исследователи упорно придерживались другой точки зрения. В результате сложных исследований было выяснено, что проблемные свойства тесно связаны с числом пространственных измерений. В уравнениях теории струн нет изъянов во вселенной с девятью пространственными измерениями и одним временным, что в совокупности составляет десять измерений. Автор книги подмечает, что без технических подробностей будет тяжело или даже невозможно по крайней мере, для него объяснить, как это происходит. Так что здесь он дает некую техническую наводку. В теории струн есть одно уравнение, в котором присутствует вклад вида D - 10 умножить на проблему , где D — это число пространственно-временных измерений, а проблема — это некое математическое выражение, приводящее к проблемному физическому явлению, подобному ранее упомянутому нарушению закона сохранения энергии. Автор не может предложить никакого интуитивного, нетехнического объяснения, почему уравнение имеет именно этот вид. Но в вычислениях возникает именно оно.
Возможно даже, хотя это трудно представить, что струна оборачивает тор в двух направлениях одновременно, результатом чего будет другая частица с другой массой. Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей. Определение пространства и времени Во многих версиях теория суперструн измерения сворачивает, делая их ненаблюдаемыми на современном уровне развития технологии. В настоящее время не ясно, сможет ли теория струн объяснить фундаментальную природу пространства и времени больше, чем это сделал Эйнштейн. В ней измерения являются фоном для взаимодействия струн и самостоятельного реального смысла не имеют. Предлагались объяснения, до конца не доработанные, касавшиеся представления пространства-времени как производного общей суммы всех струнных взаимодействий. Такой подход не отвечает представлениям некоторых физиков, что привело к критике гипотезы. Конкурентная теория петлевой квантовой гравитации в качестве отправной точки использует квантование пространства и времени. Некоторые считают, что в конечном итоге она окажется лишь другим подходом ко все той же базовой гипотезе. Квантование силы тяжести Главным достижением данной гипотезы, если она подтвердится, будет квантовая теория гравитации. Текущее описание силы тяжести в ОТО не согласуется с квантовой физикой. Последняя, накладывая ограничения на поведение небольших частиц, при попытке исследовать Вселенную в крайне малых масштабах ведет к возникновению противоречий. Унификация сил В настоящее время физикам известны четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнитная, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Из теории струн следует, что все они когда-то являлись проявлениями одной. Согласно этой гипотезе, так как ранняя вселенная остыла после большого взрыва, это единое взаимодействие стало распадаться на разные, действующие сегодня. Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединение этих сил, хотя такие опыты находятся далеко за пределами текущего развития технологии. Пять вариантов После суперструнной революции 1984 г. Физики, перебирая версии теории струн в надежде найти универсальную истинную формулу, создали 5 разных самодостаточных варианта. Какие-то их свойства отражали физическую реальность мира, другие не соответствовали действительности. М-теория На конференции в 1995 году физик Эдвард Виттен предложил смелое решение проблемы пяти гипотез. Основываясь на недавно обнаруженой дуальности, все они стали частными случаями единой всеобъемлющей концепции, названной Виттеном М-теория суперструн. Одним из ключевых ее понятий стали браны сокращение от мембраны , фундаментальные объекты, обладающие более чем 1 измерением. Хотя автор не предложил полную версию, которой нет до сих пор, М-теория суперструн кратко состоит из таких черт: 11-мерность 10 пространственных плюс 1 временное измерение ; двойственности, которые приводят к пяти теориям, объясняющих ту же физическую реальность; браны — струны, с более чем 1 измерением. Следствия В результате вместо одного возникло 10500 решений. Для некоторых физиков это стало причиной кризиса, другие же приняли антропный принцип, объясняющий свойства вселенной нашим присутствием в ней. Остается ожидать, когда теоретики найдут другой способ ориентирования в теории суперструн. Некоторые интерпретации говорят о том, что наш мир не единственный. Наиболее радикальные версии позволяют существование бесконечного числа вселенных, некоторые из которых содержат точные копии нашей.
Теория суперструн кратко и понятно
Теория струн предполагает объединения идей квантовой механики и теории относительности, представляя элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами. А теория струн может объединить эти две теории, например если сказать что световая волна это и есть струна с набором гармоник, которая и соответствует фотону. В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. Теория струн кратко и струн — это одна из революционных и самых противоречивых теорий в физике, целью которой является объединение всех частиц и фундаментальных сил природы в единую тео.
Что такое теория струн
Эти достижения убедили многих физиков, что теория струн способна выполнить свои обещания и стать окончательной объединяющей теорией. Та материя, сутью которой являются струны, составляет только 5% массы Вселенной — ее видимая часть. Теория струн — это теория о том, что фундаментальными составляющими Вселенной являются одномерные "струны", а не точечные частицы (как это принято наукой). Теория струн сейчас — это лучшая попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, поскольку сами струны несут в себе гравитационную силу, а их вибрация является случайной, как и предсказывает квантовая механика.
Квантовая механика – следствие теории струн?
Ученые в качестве объяснения краткой сути теории струн пытались ввести понятие нулевого измерения. Описание теории струн простым и понятным языком, или как принято говорить "Для чайников". Теория струн воплощает мечту всех физиков по объединению двух, в корне противоречащих друг другу ОТО и квантовой механики, мечту, которая до конца дней не давала покоя величайшему «цыгану и бродяге» Альберту Эйнштейну. Как и любая неподтвержденная теория, теория струн имеет ряд проблем, которые говорят о том, что она требует доработки. Объединить эти два подхода призвана теория струн. Кратко и понятно объяснить ее можно, используя аналогии в повседневной жизни.
Теория струн
Однако другие улицы подходят под определение обоих типов, так какие правила применяются к ним? Как и наличие двух совершенно разных правил дорожного движения, невозможность объединить квантовую механику и теорию относительности создает хаос при попытке понять нашу вселенную. Интересно, что существует несколько потенциальных теорий, объединяющих два столпа физики, самой известной из которых является теория струн. Мир согласно теории струн Согласно теории струн, если бы мы заглянули внутрь любой фундаментальной частицы, например, такой как электрон, мы бы обнаружили там крошечную вибрирующую струну энергии одномерный объект.
В теории струн фундаментальные частицы можно рассматривать как энергетические колебания. Рисунок, изображающий теорию струн. Более того, теория струн предсказывает существование одиннадцати измерений.
Причина, по которой мы не видим эти измерения в повседневной жизни, заключается в том, что они слишком малы, чтобы их обнаружить.
Это со временем может привести к широкому применению аналоговых экспериментов и уже вызвало бурное развитие компьютерных методов физики в качестве дополнения к обычным прямым экспериментам. В узком смысле термин «теория струн» применяется для конкретного обобщения стандартной КТП, в которой точечные частицы заменены одномерными струны или многомерными браны протяжёнными объектами, взаимодействие между которыми происходит в отдельных точках. Это позволяет избежать нарушения принципа причинности. Даже простейшие модели такого рода включают в себя все фундаментальные законы природы, объединяя электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия с гравитацией и решая проблему неперенормируемости квантовой теории гравитации. Калибровочные теории с линейным или квадратичным по кривизне действием , описывающие известный нам мир, оказываются естественным классом универсальности, «выживающим» при низких энергиях. Тем самым теория струн решает одну из важнейших проблем естествознания: почему фундаментальные законы, начиная со 2-го закона Ньютона и уравнений Максвелла , зависят от ускорения. Причина в том, что они описывают лишь низкоэнергетическое приближение к действительно фундаментальной теории.
Ее парадигма подразумевает существование большого количества измерений. Кроме того, теория струн говорит, что мир состоит не из частиц, а из вибрирующих нитей — тех самых струн. Представьте себе гитару. Удар по струнам вызывает вибрацию, рождается звук.
Работа Барса и Рычкова станет, возможно, одним из шагов к созданию единой теории поля, объединению различных областей теоретической физики на одном базисе. К сожалению, современные технологии не позволяют подтвердить результаты исследования экспериментально, поскольку не существует методов и оборудования, позволяющих исследования объектов меньшего масштаба, чем отдельные частицы. МГУ квантовая механика принцип неопределенности гейзенберга теория струн Поделиться: Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия".
Войти на сайт
Верно ли, что за этой вывеской скрывается несколько теорий? Я прекрасно понимаю, о чем вы говорите, но я бы так не сказал. Я бы сформулировал это по-другому: теория струн — это единый теоретический инструмент, позволяющий формулировать модели того, как Вселенная в принципе может работать. При этом какого-либо критерия отбора модели, имеющей отношение к нашей конкретной Вселенной, у нас нет. Есть идея, что так получилось, потому что каждая из этих моделей в некотором смысле реальна — просто она описывает какую-то другую Вселенную, где-то там, далеко. Такая вот радикальная интерпретация наших неудач. Применительно к теории струн регулярно вспоминают теорию Янга-Миллса с ней связан один из вопросов , за решение которых Математический институт Клэя обещал миллион долларов.
Расскажите, что это такое? В 50-е годы прошлого века ученые обнаружили тогда без участия идей из теории струн , что уравнения для описания сильного и слабого взаимодействия в квантовой механике можно записать в особой симметричной форме. Симметрии, о которых идет речь, напоминают симметрии снежинки — если ее поворачивать на некоторый угол, то она переходит сама в себя. Так же и эти уравнения после определенного «поворота» оказывались такими же. Такой подход оказался очень удобным, и физикам удалось много чего посчитать с его помощью. Сами Янг, Миллс и их последователи смогли заложить единую и очень изящную с математической точки зрения основу для Стандартной модели.
Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений. То есть пойди история теоретической физики немного по-другому вполне возможно, так и произошло где-нибудь на другой планете или в другой Вселенной , теория Янга-Миллса была бы обычным следствием теории струн. То есть этот факт можно рассматривать как теоретическое а не экспериментальное подтверждение теории струн? В некотором смысле — да. В такую игру с теорией струн можно играть достаточно долго: из теории струн естественным образом вытекает теория Янга-Миллса, разного рода дискретные симметрии, играющие важную роль в квантовой механике. Теория струн также позволяет объяснить, почему элементарные частицы объединяются в семейство — например, фермионы и бозоны.
То есть многое из того, что приходилось добавлять в уравнения вручную, исходя из экспериментальных соображений, в теории струн возникает само собой. Это не является, конечно, доказательством истинности теории, но с математической точки зрения означает, что теория включает в себя все, что мы знали до сих пор. У квантовой механики есть множество интерпретаций — копенгагенская, многомировая, теория квантовой информации и прочие. У них имеется общий математический аппарат, однако они кардинально различаются в описании того, что представляет собой реальность. Есть ли такие же интерпретации у теории струн? Во-первых и это, конечно, тема для совершенно отдельного и большого разговора, совсем не связанного с темой нашей беседы , я бы не согласился с первой частью вашего утверждения.
Различные интерпретации квантовой механики различаются не только на уровне интерпретации, но и на уровне механики, которую они используют. Точнее, аккуратно определяя квантовую механику в рамках той или иной интерпретации, вы обнаружите, что эти интерпретации либо некорректно определены, либо дают разные теории. Они могут отличаться как предсказаниями, так и в онтологическом смысле — то есть они расходятся в том, что реально, а что — нет. Например, копенгагенская интерпретация не полна — она не говорит, что происходит во время так называемого коллапса волновой функции, вызванного наблюдением. Многомировая интерпретация и теория де Бройля-Бома дают различные уравнения для описания квантового мира. Поскольку теория струн использует квантовую механику, то, с одной стороны, последняя никак не меняется.
С другой стороны, если в квантовой механике есть какие-то вопросы, которые нужно интерпретировать, то они есть и в теории струн. Все эти многомировые и прочие вещи тут присутствуют в полной мере. Сама же теория при этом никаких дополнительных факторов, требующих интерпретации, не привносит. То есть мы имеем дело с квантовомеханическими вопросами и только с ними. Теория всего - гипотетическая объединённая физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Первые три взаимодействия описываются в настоящий момент квантовой механикой, последнее - теорией относительности С другой стороны, в теории струн есть эффект, называемый двойственностью.
Его, если угодно, можно считать двоюродным братом вопроса интерпретации. Дело в том, что в теории одна и та же физическая ситуация допускает несколько математических описаний математических интерпретаций, если угодно. В некотором смысле противоположная история. Главное отличие двойственности в том, что это не источник споров или философских диспутов о том, как и что надо понимать, а мощный инструмент для работы. Расскажу из личного опыта. Некоторое время назад я как раз занимался зеркальной симметрией.
Дело в том, что, как уже говорилось выше, дополнительные измерения в теории струн компактифицированы — то есть свернуты особым образом, так что на первый взгляд наш мир видится четырехмерным. Оказывается, возможные формы дополнительных измерений, то есть то, каким образом они свернуты, существуют парами. В каждой паре элементы могут отличаться геометрией, топологией, но при этом дают одну и ту же физическую теорию. Так как физика одна и та же, то один и тот же эксперимент — скажем, рассеивание частиц — дает информацию о строении сразу двух объектов. Благодаря зеркальной симметрии физикам удается получить информацию о математике, которая стоит за этими объектами. То есть смотрите, пусть мы знаем, что наша теория описывает именно нашу Вселенную.
Мы хотим предсказать результаты экспериментов по рассеиванию частиц. Начинаем считать — офигеть, не получается, слишком сложная математика. Тут мы вспоминаем о зеркальной симметрии и говорим себе: «Стоп! Мы же можем заменить одно пространство на другое, ведь физика, как известно, будет той же самой». Мы так поступаем, и оказывается, что в зеркально-симметричной ситуации тот же эксперимент описывается много проще и мы все можем посчитать. И что, есть примеры, когда эта схема работает?
И таких примеров множество. Другое дело, что мы пока точно не знаем, каким параметрам соответствует именно наша Вселенная. Вот в чем проблема. А как устроены эти симметрии, которые дают в результате два пространства? Исходное и зеркальное пространство связаны через подходящий орбифолд — грубо говоря, фактор многообразия по дискретной группе изометрий. А сама симметрия — это, конечно, просто действие Z2.
Никаких континуальных симметрий, только дискретные. Вы говорите очень интересные вещи о математике. На первый взгляд математические утверждения можно получать только с помощью самой математики. А вы говорите, что можно что-то узнать с помощью эксперимента... Ну это относится даже не к теории струн, а ко всей физике элементарных частиц.
Квантовая теория струн имеет огромный потенциал для объяснения фундаментальных вопросов физики, таких как природа гравитации и структура Вселенной. Нужна помощь в написании работы? Мы - биржа профессиональных авторов преподавателей и доцентов вузов. Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно. Цена работы Основные принципы квантовой теории струн Квантовая теория струн — это физическая теория, которая описывает элементарные частицы не как точки, а как маленькие вибрирующие струны. Она представляет собой попытку объединить общую теорию относительности и квантовую механику, создав единую теорию, которая объясняет все фундаментальные взаимодействия в природе. Математический формализм квантовой теории струн основан на идеи, что струны могут колебаться в различных режимах. Основные предположения и постулаты теории включают: Струны как основные объекты: В квантовой теории струн, основными объектами являются струны, а не точечные частицы. Струны представляют собой одномерные объекты, которые могут иметь различные размеры и формы. Колебания струн: Струны могут колебаться в различных режимах, которые определяются их размерами и формами. Колебания струн определяют энергию и массу элементарных частиц. Квантование колебаний: Колебания струн квантуемы, то есть они могут принимать только определенные дискретные значения энергии и импульса. Это приводит к появлению дискретного спектра масс частиц. Дополнительные измерения: Квантовая теория струн требует наличия дополнительных измерений, помимо трех пространственных и одного временного измерений. Эти дополнительные измерения могут быть свернуты или свернуты в маленькие компактные размеры. Размерности струн и режимы колебаний определяют свойства и характеристики элементарных частиц. Различные режимы колебаний струн могут соответствовать различным частицам и их взаимодействиям. Квантовая теория струн предлагает новый подход к пониманию фундаментальных взаимодействий и структуры Вселенной. Развитие квантовой теории струн Квантовая теория струн возникла как попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, создав единую теорию, которая объясняет все фундаментальные взаимодействия в природе. Она развивалась в результате нескольких ключевых открытий и прорывов. Одним из ключевых моментов в развитии квантовой теории струн было осознание ограничений и проблем традиционной физики. Традиционная физика, основанная на точечных частицах, не могла объяснить некоторые фундаментальные вопросы, такие как объединение гравитации и квантовой механики, причина массы частиц и природа темной материи и энергии. В 1960-х годах физики начали исследовать модели струн, которые могли быть основой для новой теории. Однако, в то время не было достаточно математических инструментов для полного описания струнных моделей. В 1970-х годах были сделаны важные открытия, которые привели к развитию квантовой теории струн. Это был важный шаг вперед в понимании струнных моделей.
We use cookies. Венециано, который в то время работал в ЦЕРНе, Европейской ускорительной лаборатории, находящейся в Женеве Швейцария , трудился над этой проблемой в течение нескольких лет, пока однажды его не осенила блестящая догадка. К большому своему удивлению он понял, что экзотическая математическая формула, придуманная примерно за двести лет до этого знаменитым швейцарским математиком Леонардом Эйлером в чисто математических целях — так называемая бета-функция Эйлера, — похоже, способна описать одним махом все многочисленные свойства частиц, участвующих в сильном ядерном взаимодействии. Подмеченное Венециано свойство давало мощное математическое описание многим особенностям сильного взаимодействия; оно вызвало шквал работ, в которых бета-функция и её различные обобщения использовались для описания огромных массивов данных, накопленных при изучении столкновений частиц по всему миру. Однако в определённом смысле наблюдение Венециано было неполным. Подобно зазубренной наизусть формуле, используемой студентом, который не понимает её смысла или значения, бета-функция Эйлера работала, но никто не понимал почему. Это была формула, которая требовала объяснения. Положение дел изменилось в 1970 г. Эти физики показали, что при представлении элементарных частиц маленькими колеблющимися одномерными струнами сильное взаимодействие этих частиц в точности описывается с помощью функции Эйлера. Если отрезки струн являются достаточно малыми, рассуждали эти исследователи, они по-прежнему будут выглядеть как точечные частицы, и, следовательно, не будут противоречить результатам экспериментальных наблюдений. Хотя эта теория была простой и интуитивно привлекательной, вскоре было показано, что описание сильного взаимодействия с помощью струн содержит изъяны. В начале 1970-х гг. В то же время параллельно шло развитие квантово-полевой теории — квантовой хромодинамики, — в которой использовалась точечная модель частиц. Успехи этой теории в описании сильного взаимодействия привели к отказу от теории струн. Большинство специалистов по физике элементарных частиц полагали, что теория струн навсегда отправлена в мусорный ящик, однако ряд исследователей сохранили ей верность. Шварц, например, ощущал, что «математическая структура теории струн столь прекрасна и имеет столько поразительных свойств, что, несомненно, должна указывать на что-то более глубокое». Некоторые конфигурации колеблющихся струн в этой теории имели свойства, которые напоминали свойства глюонов, что давало основание действительно считать её теорией сильного взаимодействия.
Так вот если теория струн учитывала лишь бозоны, то теория суперструн также учла и фермионы, что позволило избавиться от тахионов. Читайте также: Ученые утверждают, что много кофе сердцу не вредит Конечный вариант принципа суперструн разработан Эдвардом Виттеном и называется «м-теория», согласно которой для объединения всех различных версий суперструнной теории следует ввести 11-тое измерение. На этом, пожалуй, можно и закончить. Работы по решению проблем и доработки имеющейся математической модели усердно ведутся физиками-теоретиками разных стран мира. Возможно, вскоре мы наконец-то сможем понять структуру окружающего нас мира, однако оглядываясь на объем и сложность вышесказанного, очевидно, что полученное описание мира не будет понятно без определенной базы знаний в области физики и математики.
Что такое Теория струн и существует ли 10-ое измерение
Теория струн применима к познанию строения микромира не в том смысле, что там кругом висят верёвочки, а что описание происходящих в микромире процессов математически сходно с описанием неких “струн”. Новости науки, высокие технологии и научные открытия. Понятно, что с математиче ской точки зрения с гладкими поверхностями работать гораздо лучше и плодотворнее, чем с сингулярными — в этом объяснение успехов математи ческого аппарата теории струн. Эти достижения убедили многих физиков, что теория струн способна выполнить свои обещания и стать окончательной объединяющей теорией.
Обнаружено новое доказательство теории струн
А теория струн может объединить эти две теории, например если сказать что световая волна это и есть струна с набором гармоник, которая и соответствует фотону. Теория струн, пожалуй, самая спорная большая идея во всей сегодняшней науке – Самые лучшие и интересные новости по теме: Атом, бозон Хиггса, квантовая физика на развлекательном портале Теория струн, обобщение квантовой теории поля (КТП), связанное с ослаблением требований локальности и перенормируемости, открывшее возможность.