Теория струн, обобщение квантовой теории поля (КТП), связанное с ослаблением требований локальности и перенормируемости, открывшее возможность. Теория струн, обобщение квантовой теории поля (КТП), связанное с ослаблением требований локальности и перенормируемости, открывшее возможность.
Теория струн простыми словами
Нильса Бора даже отговаривали заниматься физикой — мол, тут все и так ясно. 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.
И хотя сейчас еще не известно, к чему приведет такая сугубо теоретическая концепция, история свидетельствует о том, что наверняка получится что-то выдающееся. Теория струн гласит, что неделимые субатомные частицы состоят из крошечных маленьких струн, вибрирующих по определенной схеме. Каждый колебательный паттерн соответствует разным частицам. Электрон - это не что иное, как струна, вибрирующая по одному шаблону, а протон - это струна, вибрирующая по другому шаблону. Это просто математическая концепция, нет никаких экспериментальных доказательств теории струн.
В природе существуют четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнетизм и слабые и сильные ядерные силы. Одна из главных целей физиков - разработать теорию, которая может описать все эти силы. За последние 6 десятилетий, пытаясь объединить все силы, физики-теоретики выдвинули много разных интересных идей и новых теорий. Одна из самых многообещающих из этих теорий - теория струн. Теория струн в настоящее время стала самой противоречивой концепцией в физике, целью которой является объединение двух столпов физики 20-го века: теории относительности Эйнштейна и квантовой механики. Проще говоря, это всеобъемлющая структура, которая может объяснить всю физическую реальность если она доказана. Основная идея теории струн Выбери что-нибудь вокруг себя. Допустим, вы взяли яблоко со стола.
Из чего сделано яблоко? Ну, чтобы ответить на этот вопрос, вам нужно заглянуть в него. Если вы продолжите увеличивать его, рано или поздно вы начнете видеть молекулы. Но это не конец истории, если вы еще больше увеличите их и сделаете их достаточно большими, вы начнете видеть атомы. Атомы не являются концом истории, потому что, если вы увеличите масштаб, вы увидите электроны и ядра. Ядро само состоит из протонов и нейтронов. Если вы возьмете одну из этих частиц скажем, нейтрон и увеличите ее, вы найдете еще больше крошечных частиц внутри, называемых кварками. Теперь это то, где традиционная идея останавливается и теория струн приходит, предполагая, что внутри этих крошечных частиц есть что-то еще.
Обычная идея гласит, что внутри кварков нет ничего, но теория струн гласит, что вы найдете крошечную нитку, похожую на струну. Они похожи на струну на скрипке: когда вы отрываете струну, она вибрирует и создает небольшую музыкальную ноту. Однако крошечные струны в теории струн не дают музыкальных нот. Вместо этого, когда они вибрируют, они сами производят частицы. Каждый тип вибрации соответствует различным частицам. Следовательно, кварк - это не что иное, как струна, вибрирующая по одной схеме, а электрон - это не что иное, как струна, вибрирующая по другой схеме. Так что, если вы соберете все эти частицы обратно вместе, яблоко будет не чем иным, как связкой вибраций в струнах. Если теория струн верна она все еще не доказана , все вещи во вселенной - не что иное, как танцующая вибрирующая космическая симфония струн.
Дополнительное измерение На данный момент теория струн является простой идеей. Нет прямых экспериментальных доказательств того, что это правильное описание природы. Теория струн требует от нас принять существование дополнительного измерения во вселенной. Суперсимметрия Во Вселенной существует два основных класса элементарных частиц: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между этими двумя частицами существует связь, называемая суперсимметрией, при которой для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот. Принцип суперсимметрии был открыт вне теории струн. Однако его включение в теорию струн позволяет определенному члену в уравнениях вычеркнуть и придать смысл. Без этого принципа уравнения теории струн приводят к физическим несоответствиям, таким как воображаемые уровни энергии и бесконечные значения.
Другими словами, объединение идеи суперсимметрии с теорией струн дает лучшую теорию, теорию суперструн. Физики надеются, что эксперименты с ускорителями частиц и астрономические наблюдения позволят выявить несколько суперсимметричных частиц, что обеспечит поддержку теоретических основ теории струн. Объединение сил Современная физика имеет два совершенно разных закона: общая теория относительности и квантовая механика. Относительность изучает большие объекты в масштабе планет, галактик и вселенной, в то время как квантовая механика имеет тенденцию изучать крошечные объекты в природе на самых маленьких масштабах энергетических уровней атомов и субатомных частиц. Не совсем понятно, как гравитация влияет на мельчайшие частицы. Теории, которые стремятся описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации, и одной из наиболее многообещающих из всех таких теорий является теория струн. Открытые и закрытые струны 5 фундаментальных взаимодействий струны типа I Струны в теории струн имеют две формы: открытые и закрытые струны. Две открытые струны могут соединяться с обоих концов, образуя закрытую струну.
Или несколько открытых струн могут присоединиться к одному концу, чтобы сформировать новую открытую струну. Такие струны, известные как струны типа I, могут проходить через 5 основных типов взаимодействий. Эти взаимодействия зависят от способности струны соединять и разделять концы концов. Ученые считают, что у замкнутых струн есть особые атрибуты, которые могут описывать гравитацию в квантовой механике. Считается, что характерная шкала длины струн составляет порядка 10 -35 метров, или длины Планка. Это масштаб, при котором эффекты квантовой гравитации становятся значительными. Однако в 1995 году американский физик-теоретик Эдвард Виттен объединил все пять теорий в одну 11-мерную теорию, называемую М-теорией. Это может обеспечить основу для построения единой теории всех фундаментальных сил во Вселенной.
Кто открыл теорию струн? Целью этой программы было заменить локальную квантовую теорию поля как основной принцип физики элементарных частиц. Ускорители частиц 1950-х и 60-х годов в изобилии производили адроны. Физики изобрели множество различных моделей для описания структуры спинов и масс этих сильно взаимодействующих частиц состоящих из кварков. Итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано сыграл главную роль в разработке этих ранних моделей. Он сформулировал основы теории струн в 1968 году, когда обнаружил, что крошечные струны могут описывать взаимодействия адронов. Он также опубликовал статью в 1991 году, в которой описывается, как инфляционная космологическая модель может быть получена из теории струн. Сегодня, благодаря совместным усилиям многих исследователей, теория струн превратилась в широкую и разнообразную тему, связанную с чистой математикой, космологией, физикой конденсированного состояния и квантовой гравитацией.
Является ли теория струн теорией всего? Ну, быстрый ответ - нет. Теория Всего - это гипотетическая основа физики, которая полностью описывает и связывает воедино все физические аспекты вселенной. Для достижения этой цели теория струн стала многообещающим кандидатом в Теорию Всего. До сих пор он успешно объяснил многие сложные явления, в том числе черные дыры , которые требуют как квантовой механики, так и общей теории относительности для их изучения. Согласно теории струн, все четыре фундаментальные силы когда-то были единой фундаментальной силой в начале вселенной - через 10—43 секунды после Большого взрыва. Это также дало новые идеи в отношении кварк-глюонной плазмы и дал много результатов, некоторые из которых могут показаться непонятными или абсурдными. Например, теория струн допускает около 10500 вселенных или обширную мультивселенную.
Это одна из причин, она столкнулась с многочисленными неудачами в прошлом. Почему теория струн важна? Хотя теория струн до сих пор не дала каких-либо проверяемых экспериментальных предсказаний, математика в теории струн сработала. И именно поэтому это чрезвычайно полезно. За последние несколько десятилетий теория струн предложила несколько убедительных и достоверных решений. Так что, может быть, история теории струн - это не теория всего, но, конечно, это не отдельная совокупность исследований, проводимых в каком-то неясном уголке науки. Вместо этого он может указать нам правильное направление и помочь нам открыть новые аспекты квантового мира и немного прекрасной математики. Мы еще не знаем, какова истинная природа реальности, но мы будем продолжать копать, пока не узнаем.
Доброго времени суток, уважаемое хабрасообщество. После моего долгого отсутствия я решил вновь взяться за перо клавиатуру.
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. В результате Бранденбергер и Вафа пришли к следующей космологической картине: сначала все пространственные измерения в теории струн плотно свернуты до минимальных размеров порядка планковской длины. Температура и энергия высоки, но не бесконечны: парадоксы начальной точки нулевого размера в теории струн решены.
В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения теории струн совершенно равноправны и полностью симметричны: все они свернуты в многомерный комок планковских размеров. Далее, согласно Бранденбергеру и Вафе, Вселенная проходит первую стадию понижения симметрии, когда в планковский момент времени три пространственных измерения отбираются для последующего расширения, а остальные сохраняют исходный планковский размер. Затем эти три измерения отождествляются с измерениями в сценарии инфляционной космологии и в процессе эволюции принимают наблюдаемую теперь форму. Модель Венециано и Гасперини[ ] После работы Бранденбергера и Вафы физики непрерывно продвигаются вперёд к пониманию струнной космологии.
В числе тех, кто идет во главе этих исследований — Габриэле Венециано и его коллега Маурицио Гасперини из Туринского университета. Эти учёные представили свой вариант струнной космологии, который в ряде мест соприкасается с описанным выше сценарием, но в других местах принципиально отличается от него. Как Бранденбергер и Вафа, для исключения бесконечной температуры и плотности энергии, которые возникают в стандартной и инфляционной модели, они опирались на существование минимальной длины в теории струн. Однако вместо вывода о том, что в силу этого свойства Вселенная рождается из комка планковских размеров, Гасперини и Венециано предположили, что существовала доисторическая вселенная, возникшая задолго до момента, который называется нулевой точкой, и породившая этот космический « эмбрион » планковских размеров.
Исходное состояние Вселенной в таком сценарии и в модели Большого взрыва очень сильно различаются. Согласно Гасперини и Венециано, Вселенная не являлась раскаленным и плотно скрученным клубком измерений, а была холодной и имела бесконечную протяженность. Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все её точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны. Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось всё более искривлённым и в результате произошел резкий скачок температуры и плотности энергии.
Прошло немного времени, и трёхмерная область миллиметровых размеров внутри этих бескрайних просторов преобразилась в раскалённое и плотное пятно, тождественное пятну, которое образуется при инфляционном расширении по Гуту. Затем все пошло по стандартному сценарию космологии Большого взрыва , и расширяющееся пятно превратилось в наблюдаемую Вселенную. Поскольку в эпоху до Большого взрыва происходило своё инфляционное расширение, решение парадокса горизонта, предложенное Гутом, оказывается автоматически встроенным в этот космологический сценарий. По выражению Венециано в интервью 1998 г.
Изучение струнной космологии быстро становится областью активных и продуктивных исследований. Например, сценарий эволюции до Большого взрыва уже не раз был поводом горячих споров, а его место в будущей космологической формулировке далеко не очевидно. Однако нет сомнений, что эта космологическая формулировка будет твёрдо опираться на понимание физиками результатов, открытых во время второй суперструнной революции. Например, до сих пор не ясны космологические следствия существования многомерных мембран.
Иными словами, как изменитcя представление о первых моментах существования Вселенной в результате анализа законченной М-теории? Этот вопрос интенсивно исследуется. Косвенные предсказания[ ] Несмотря на то, что арена основных действий в теории суперструн недоступна прямому экспериментальному изучению, ряд косвенных предсказаний теории суперструн всё же можно проверить в эксперименте.
Читайте также: Находка в Арктике перевернула представление об истории с ног на голову Проблемы и особенности Как и любая неподтвержденная теория, теория струн имеет ряд проблем, которые говорят о том, что она требует доработки. В число этих проблем входит, к примеру, таковая — в результате вычислений математически был новый тип частиц, которые не могут существовать в природе — тахионы, квадрат массы которых меньше нуля, а скорость перемещения превышает скорость света.
Другой же важной проблемой, или скорее особенностью есть существование теории струн лишь в 10-мерном пространстве. Почему же мы воспринимаем другие измерения? Развитие Существует два типа частиц: фермионы — частицы вещества, и бозоны — переносчики взаимодействия.
Теория струн. Что это?
А приведите примеры, какие факты удается узнать таким образом про компактифицированные пространства? Есть важный геометрический вопрос, касающийся этих компактифицированных пространств — сколькими вариантами в эти пространства можно вложить сферы. Речь здесь идет про вложение голоморфным образом — но это детали, они в данном случае не имеют значения. До вмешательства физиков математики могли ответить на этот вопрос только в случае, когда число вращения — то есть то, сколько раз такая сфера обмотана вокруг себя самой, — достаточно мало. Один, два или три.
Для чисел больше ничего известно не было. В теории струн оказалось, что эти числа связаны с амплитудами рассеивания. То есть для их подсчета достаточно было провести опыт, сделать преобразование Фурье, и первые, точно посчитанные коэффициенты в полученном ряду давали ровно то, что было нужно. Нужно больше коэффициентов?
Просто проводим дополнительные эксперименты — и все. Сначала математики не поверили, конечно: мол, как так — мы бились, у нас ничего не получалось, а тут какой-то эксперимент и все? Но потом, поглядев на эти числа достаточно долго, они вдохновились и придумали, как решить задачу уже для произвольных чисел вращения. Теория струн не единственная претендует на звание теории всего.
Расскажите про ее основных конкурентов. Пожалуй, лучше всего развита петлевая квантовая гравитация. Чтобы понять основную идею, нужно сделать шаг назад. Необходимо понимать, что изначально физики пытались применить к уравнениям теории относительности стандартный подход квантовой механики, то есть проквантовать их так же, как, например, электромагнитное взаимодействие.
Из этого ничего не получилось. Если обратиться к теории струн, то «квантованная» в некотором смысле гравитация там появляется сама собой. Она оказывается следствием фундаментальных свойств самой теории, нам не приходится насильно склеивать теорию относительности и квантовую механику. Петлевая же гравитация занимается именно этим, то есть пытается склеить ТО и квантовую механику.
Для этого уравнения Эйнштейна переписываются совсем в другом но эквивалентном исходному, это важно виде, в совершенно других переменных. При этом оказывается, что в таком виде уравнения уже поддаются квантованию, пусть и не совсем классическому. Полученные при этом квантовые переменные могут пониматься как петли — отсюда и название. Насколько эти петли связаны с нашими струнами и связаны ли вообще все-таки звучит похоже , мы пока не знаем.
Петлевая гравитация, конечно, менее экзотична, чем теория струн. В ней не требуются дополнительные измерения, не нужна суперсимметрия. То есть их можно добавить, но сами по себе они не возникают. Тут, однако, возникает тонкий момент — уверен, что специалисты по петлевой квантовой гравитации со мной не согласятся.
Смотрите, стандартная Ньютонова механика получается как предел квантовой при устремлении к нулю некоторого параметра. Традиционно считается, что квантование — это обратный процесс, то есть построение теории, зависящей от параметра, которая, при стремлении этого параметра к нулю, дает нам доквантовую теорию. Так вот, на самом деле не очень понятно, получаются ли из петлевой квантовой гравитации обычная квантовая механика и теория относительности при переходе к некоторому пределу? Специалисты по этой теории считают, что получается и никакой проблемы тут нет.
И возможно, они правы, а я нет — все-таки я не разбираюсь в деталях теории так, как они. Но издалека лично мне кажется, что там все не очень корректно. А есть какие-то предсказания петлевой гравитации, которые отличались бы от предсказаний теории струн? Желательно, чтобы эти предсказания еще и можно было проверить.
Я думаю, если бы перед вами сидел специалист по петлевой квантовой гравитации, ответ был бы иным. Я ни в коем случае не утверждаю, что кто-то там нечестен, просто речь идет скорее о том, что у людей есть разные воззрения на то, что считать предсказанием и что считать фальсифицируемостью конкретной теории. Как бы то ни было, но я смею утверждать, что ни у кого из этих специалистов нет утверждения такого уровня: если не выполнено некоторое X, то вся теория не верна. 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.
Удивительно, но эти разработки дают новые средства для пересмотра некоторых основных положений теории, которые считались устоявшимися. Например, при взгляде на рис. Почему не маленькие диски? Или микроскопические каплевидные ядрышки? Эти последние достижения будут рассмотрены в заключительных главах данной книги. Прогресс в науке осуществляется скачками. Одни периоды наполнены великими прорывами, в другие времена исследователи остаются без улова. Ученые получают новые теоретические и экспериментальные результаты. Они обсуждаются научным сообществом, иногда отвергаются, иногда модифицируются, а иногда служат отправной точкой для скачков в разработке новых и более точных методов понимания физического мира.
Иными словами, наука движется в направлении того, что, как мы надеемся, будет окончательной истиной, по зигзагообразному пути, который начался с самых первых попыток человечества познать мироздание, и конец которого мы не можем предсказать.
Например, в упрощенном случае, когда они свернуты в форме бублика, называемом математиками и физиками тором, струна может обернуть эту форму двумя способами: короткая петля через середину тора; длинная петля вокруг всей внешней окружности тора. Короткая петля будет легкой частицей, а большая — тяжелой. При оборачивании струн вокруг торообразных компактифицированных измерений образуются новые элементы с различными массами. Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Свернутые измерения здесь гораздо сложнее тора, но в принципе они работают также. 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.
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. В структуре Стандартной модели элементарных частиц имеются указания на её происхождение из более фундаментальной теории при высоких энергиях. Теория струн предоставляет развитую технику для формулировки и изучения подобных гипотез.
Популярно о теории струн
•Краткая история теории струн. Заметьте, что теория струн совсем не противоречит, а скорее дополняет Стандартную модель, в основу которой заложена теория строения атома Бора, критикуемая в начале этой статьи. Как известно, теория струн была предложена в 1970-х годах для решения проблем квантовой гравитации и Стандартной модели. Квантовая теория струн – это фундаментальная теория, которая стремится объединить квантовую механику и общую теорию относительности. Что такое теория струн, какие пять основных элементов в нее входят, является ли она теорией всего, какие у нее недостатки в статье на Если теория струн это, в том числе, и теория гравитации, то как она соотносится с теорией тяготения Эйнштейна?
Обнаружено новое доказательство теории струн
Теория струн основана на гипотезе[5] о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10−35 м. Стромиджер и Вафа, струнные теоретики, с помощью теории струн смогли отыскать микроскопические компоненты чёрных дыр экстремального типа. Квантовая теория струн – это фундаментальная теория, которая стремится объединить квантовую механику и общую теорию относительности. теория струн имеет значительное значение для понимания ранней Вселенной и происхождения нашей вселенной.
Теория струн простыми словами
Главным достижением теории струн является отказ от пертурбативного основанного на теории возмущений взгляда на модели КТП, что позволяет интерпретировать разные физические теории как различные фазы единой «теории всего», а конкретные модели относить к различным классам универсальности, связанным системой «дуальностей». В физике источником такого подхода стал переход от вопроса, «как» устроены законы природы, к вопросу, «почему» они устроены именно так. Это, с одной стороны, усилило интерес к изучению возможных, но не реализованных типов устройства мироздания, а с другой — сблизило постановку задачи исследования в физике и математике. Естественным следствием такого подхода стало представление о нашей Вселенной как об одной из многих возможных, что нашло выражение в гипотезе Мультиленной Multiverse и в антропном принципе. На более простом уровне теория струн побудила к поиску аналогий между моделями квантовой теории, используемыми в различных областях физики, но принадлежащими одному классу универсальности. 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.
Существуют также неориентированные экземпляры. Струны могут существовать как в виде отрезка, ограниченного с обоих концов, так и в виде замкнутой петли. Причем возможны такие превращения: Отрезок или петля могут «размножиться», дав начало паре соответствующих объектов; Отрезок дает начало петле, если часть его «закольцуется»; Петля разрывается и становится открытой струной; Два отрезка обмениваются сегментами.
Прочие фундаментальные объекты В 1995 году оказалось, что не одни только одномерные объекты являются кирпичиками нашего мироздания. Было предсказано существование необычных формаций — бранов — в виде цилиндра или объемного кольца, которые имеют такие особенности: Они в несколько миллиардов раз меньше атомов; Могут распространяться через пространство и время, имеют массу и заряд; В нашей Вселенной они представляют собой трехмерные объекты. Однако предполагают, что их форма гораздо более загадочна, поскольку значительная их часть может простираться в другие измерения; Многомерное пространство, которое скрывается под бранами, является гиперпространством; С этими структурами связывают существование частиц, являющихся переносчиками силы тяжести — гравитонов.
Они свободно отделяются от бранов и плавно перетекают в другие измерения; На бранах локализованных также электромагнитные, ядерные и слабые взаимодействия; Наиболее важной разновидностью являются D-браны. На их поверхности крепятся конечные точки открытой струны в тот момент, когда она проходит сквозь пространство. Критические замечания Как и всякая научная революция, эта пробивается сквозь тернии непонимания и критики со стороны адептов традиционных взглядов.
Среди наиболее часто высказываемых замечаний: Введение дополнительных измерений пространства-времени создает гипотетическую возможность существования огромного количества вселенных.
Итальянский физик Туллио Редже предложит группировать квантовые состояния в траектории которые были названы его именем ; 1968—1974 гг. Гарибрэле Венециано предложил модель двойного резонанса для описания сильных взаимодействий. Есиро Намбу развил эту идею и описал ядерные силы как вибрационные одномерные струны; 1974—1994 гг. Открытие суперструн, во многом благодаря работам российского ученого Александра Полякова; 1994—2003 гг. Появление М-теории, допустила большее, чем 11, количество измерений; 2003 — н. Майкл Дуглас разработал ландшафтную теорию струн с понятием ложного вакуума. Теория квантовых струн Ключевыми объектами в новой научной парадигме являются тончайшие объекты, которые своими колебательными движениями сообщают массу и заряд всякой элементарной частице. Основные свойства струн согласно современным представлениям: Длина их чрезвычайно мала — около 10-35 метров. В подобном масштабе становятся различимы квантовые взаимодействия; Однако в обыкновенных лабораторных условиях, которые не имеют дела с такими мелкими объектами, струна абсолютно неотличима от безразмерного точечного объекта; Важной характеристикой струнного объекта является ориентация.
Струны, обладающие ей, имеют пару с противоположным направлением.
Физики полагают, что это одна из конечных целей физики как науки. Фейлы и трудности[ править ] M-теория таки идёт к успеху , но пока ещё не пришла, и у неё много своих проблем, при упоминании которых физики прикладывают руку к лицу. Сверхсложная высокость. Уравнения теории струн и уж тем более её последнего релиза — M-теории настолько сложны, что физики большей частью оперируют только их приближёнными формами.
Что, конечно, не ведёт к повышению точности результатов. Более того, часто складывается такая ситуация, что для решения этих уравнений даже соответствующих математических методов-то не создано, и приходится придумывать всё на лету. Ёбаный стыд. Только этот стыд, собсно, не к самой теории струн, а к нынешнему состоянию математики. Уж пару веков старая добрая ньютоновская небесная механика никаких вам струн поставила общую задачу трех тел , а фиг ли толку?
Или вот уравнения Навье — Стокса для турбулентных потоков — старая добрая классическая гидродинамика, двести лет отроду. За доказательство существования и гладкости решения даже не за само решение! Что символизирует. Практически везде, где физика уперлась в тупик, на самом деле в тупик уперлась математика. И в теории струн — тем более, ибо она там сложнее, чем где бы то ни было.
И эта проблема служит источником двух других. Экспериментальный вакуум. Главный косяк теории — то, что она описывает явления на таких малых масштабах, что напрямую экспериментально подтвердить её основные утверждения невозможно. И никогда не будет возможно — для этого нужен не страшный ужасный адронный коллайдер длиной 27 километров, а ускоритель размером примерно с видимую Вселенную. Само по себе это не приговор — нужно только вывести косвенные наблюдаемые следствия.
Вот теория великого объединения , например, предсказывает распад протона с ненулевой вероятностью — и физики надеются, загоняя в подземные резервуары туеву хучу тонн воды, что какой-нибудь протон, на глазах у их детекторов, таки распадется. Физика питается косвенными свидетельствами — в конце концов, как электроны движутся вокруг ядра, тоже никто до недавнего времени ни в какой микроскоп не видел, и ускорителей тогда тоже не было. Проблема в том, что выводить наблюдаемые следствия из уравнений теории струн при их нынешнем математическом состоянии — задача для волшебников. А без математического прорыва и прямого эксперимента в теории струн иногда в ход идут такие хитровыебанные аргументации, что любой продажный адвокат пожал бы физикам руку. Элементарные частицы, дополнительные измерения и некто Карл Поппер.
Десятимерная теория струн на более привычных масштабах должна, естественно, сводиться к известной и ОЧЕНЬ хорошо проверенной физике элементарных частиц. Но, как выясняется, способов такого сведения существует по меньшей мере 10100 , хотя не исключено, что и 100500 , 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 нее. Проблема здесь в том, что свойства частиц считаются способом колебания струн, а возможные способы колебания струн зависят от точной геометрии дополнительных измерений. Но существующим приближенным уравнениям удовлетворяет туева хуча разных геометрий.
То есть эти уравнения были бы справедливы не только в нашем мире, но и в туевой хуче других миров, а возможно — в любом мире. Будь эти приближенные уравнения окончательными, это был бы тотальный экстерминатус в связи с нефальсифицируемостью по Попперу, то есть признаком ненаучности теории. А так — хвост пистолетом и искать точные уравнения. Квантовая гравитация[ править ] Основным результатом теории струн ну или М-теории, всем похуй принято считать возможность проквантовать гравитацию. Ясно дело , что кроме теории струн есть ещё и другие способы эту вашу гравитацию квантовать, которые убоги каждый в чем-то.
Поэтому надо тут остановиться подробнее. Квантовая теория поля учит нас, что все взаимодействия между частицами можно представить в виде картинок, диаграмм Фейнмана. Например взаимодействие электрона и позитрона можно нарисовать в виде диаграммы справа, как обмен одним фотоном. Электрон и позитрон взаимодействуют, обмениваясь фотоном Но это только так называемое древесное приближение — на деле эта диаграмма даёт лишь классическую теорию, а квантовые эффекты появятся, если мы будем рисовать петли. Петлевые поправки к взаимодействию между электронами На этих диаграммах волнистая линия — фотон, прямые линии — электрон и позитрон.
Но все это можно рисовать для любого взаимодействия. Ты, анон, уже догадался, что этих петель можно рисовать чуть более, чем дохуя. А именно, бесконечно. Каждая такая картинка соответствует совершенно невменяемому выражению, включающему в себя интегралы, логарифмы и прочую матаническую поебень. Но самый пиздец в том, что каждое из этих выражений само по себе равно бесконечности.
И тут хитрый расовый американский еврей Ричард Фейнман с дружками придумали, как обмануть общественность и бесконечности спрятать как он сам выразился, под ковер. Эта процедура наебки называется перенормировкой квантовой теории поля. И если теорию можно вот так вот перенормировать, то она считается адекватной и называется перенормируемой. Всю эту хреноту можно с успехом повторить и для ОТО ровно до момента перенормировки. Ибо гравитации вообще до пизды все эти ваши процедуры, и бесконечности прут со все новой силой.
Тут физики разом охуели и сделали Квантовую Гравитацию своим священным Граалем. Ясно дело, все остальные взаимодействия успешно квантуются и перенормируются, кроме гравитации это связано с тем, что у всех векторных бозонов спин равен 1, а у гравитона 2. Чтобы справиться с непокорной гравитацией, физики стали придумывать разные обходные пути к ее квантованию. Во-первых, напридумывали кучу других гравитаций с целью сделать формулы похожими на формулы в других теориях: калибровочная теория гравитации, теория Макдауэлла-Манзури-Штелле-Веста Macdowell-Mansoure-Stelle-West и т. А во-вторых, стали думать, как ее, родимую, квантовать правильно.
Войти на сайт
Из-за этого целый ряд физиков даже полагает теорию струн лишь «математическими фокусами». Но до сих пор исследователи исходили из того, что теория струн создана в соответствии с квантовой механикой и работали только в направлении использования квантовой механики для попыток проверки струнной теории поля. Авторы данной работы решили поступить наоборот. Предположив, что струнная теория поля верна, они использовали ее, чтобы попытаться подтвердить саму квантовую механику.
В работе, которая переформулирует струнную теорию поля на более ясном языке, Ицхак Барс и Дмитрий Рычков показали, что набор фундаментальных принципов квантовой механики, известных как «правила коммутации» принципы неопределенности , могут быть получены из геометрии слияния и расщепления струн. Таким образом, вместо того, чтобы принять квантовые правила коммутации в качестве постулата, авторы получают их из физического процесса струнных взаимодействий. Этот результат может послужить аргументом в пользу «физичности» теории струн.
Струна принципиально не может иметь размер меньше планковской длины. В теории точечных частиц физики привыкли, что чем больше энергия частицы, тем в меньшей области пространства частица может быть локализована. Совсем иное дело со струнами: дополнительная энергия приводит не к уменьшению, а к увеличению размера струны. Поэтому расстояние, которое меньше планковской длины, принципиально недостижимо. Струны бывают открытыми и замкнутыми.
И те и другие имеют определённые устойчивые формы колебаний — моды. Механическая аналогия: зажимая по-разному скрипичные струны, можно извлекать самые разные звуки. Каждая колебательная мода струны соответствует той или иной частице и обеспечивает ей все наблюдаемые характеристики: массу, спин, заряд и прочее.
Если бы эти искажения были найдены, то можно было бы с большой долей уверенности заявить, что существование аксионов подтверждено экспериментально.
Однако таких искажений астрофизики не зафиксировали. Это поставило под сомнение теорию струн. Исследователи считают, что, возможно, теперь сторонникам этой теории придется пересмотреть прогнозы о диапазоне масс этих частиц. Теоретикам придется задуматься, поскольку одной из возможных интерпретаций этой работы является то, что аксионоподобных частиц не существует.
Но есть и другое объяснение. Оно заключается в том, что такие частицы имеют более низкие значения конвертируемости, чем предел обнаружения обсерватории "Чандра". Возможно, будущие исследования, когда появятся более чувствительные инструменты, все-таки помогут обнаружить неуловимые аксионы.
Ведь если столкнуть частицы с достаточно высокой энергией планковской энергией, если быть точным, то есть порядка 1019 гигаэлектронвольт , то картина рассеивания будет отличаться от той, которую предсказывают существующие методы. То есть здесь нет такого, что теорию невозможно проверить. В теории — можно, просто очень сложно.
Здесь может помочь астрофизика? В физике элементарных частиц она, случается, помогает. Конечно, может. Некоторое время назад, например, мы с коллегами написали работу, в которой — при определенных предположениях такие предположения нужны, чтобы можно было что-то посчитать — как уже говорилось, какие-то детали теории нам, вообще говоря, неизвестны — оказывалось, что в реликтовом излучении должен быть своего рода «отпечаток». Его не нашли. Я бы и рад сказать, что теория струн неверна, однако отсутствие предсказанного нами рисунка означает только то, что неверны наши технические предпосылки.
И это снова возвращает нас к тому, что с точки зрения математики мы пока понимаем теорию не в полной мере и не обладаем оборудованием для проверки теории без каких-либо дополнительных предположений. Кадр из сериала «Теория большого взрыва» Шелдон Купер, один из главных героев сериала «Теория большого взрыва», является специалистом по теории струн Зачастую разные ученые под теорией струн могут понимать разные вещи. 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?
Квантовая механика – следствие теории струн?
| О чем теория струн? Самое простое и понятное объяснение – Физика | это активная исследовательская платформа в области физики элементарных частиц, которая пытается согласовать квантовую механику и общую теорию относительности. |
| Теория струн для чайников | Рассказать о теории струн кратко вряд ли получится. |
| Что такое теория струн и может ли она открыть дверь в другие измерения | РБК Тренды | В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. |
Мы заколебались: объясняем простым языком теорию струн
Теория струн основана на гипотезе[5] о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10−35 м. Заметьте, что теория струн совсем не противоречит, а скорее дополняет Стандартную модель, в основу которой заложена теория строения атома Бора, критикуемая в начале этой статьи. О чем теория струн? Самое простое и понятное объяснение. Та материя, сутью которой являются струны, составляет только 5% массы Вселенной — ее видимая часть.
Современное состояние теории струн
Теория струн воспринималась как теория ядерного взаимодействия (в ядре атома удерживаются нейтроны и протоны). О чем теория струн? Самое простое и понятное объяснение. Теория струн воспринималась как теория ядерного взаимодействия (в ядре атома удерживаются нейтроны и протоны). Теория струн кратко и понятно. В начале XX века учёные, благодаря классической физике, считали, что поняли, как устроен мир.