Основной проблемой теории струн является её незавершенность, то есть, нет какой-то единой теории, способной объяснить все процессы, происходящие во Вселенной, как например уравнение Эйнштейна для гравитации или уравнение Максвелла для электромагнетизма. Как теория струн стала «теорией всего». Где-то к началу 1980-х ученые поняли, что теория струн, изначально придуманная для описания взаимодействий адронов, имеет более фундаментальный характер.
Войти на сайт
Согласно легенде, как-то он случайно наткнулся на пыльную книгу по истории математики, в которой нашел уравнение двухсотлетней давности, впервые записанное швейцарским математиком Леонардом Эйлером. Каково же было удивление венециано, когда он обнаружил, что уравнение Эйлера, которое долгое время считали ничем иным, как математической диковинкой, описывает это сильное взаимодействие. Как же было на самом деле? Уравнение, вероятно, стало результатом долгих лет работы венециано, а случай лишь помог сделать первый шаг к открытию теории струн.
Уравнение Эйлера, чудесным образом объяснившее сильное взаимодействие, обрело новую жизнь. В конце концов, оно попалось на глаза молодому американскому физику - теоретику Леонарду сасскинду, который увидел, что в первую очередь формула описывала частицы, которые не имели внутренней структуры и могли вибрировать. Эти частицы вели себя так, что не могли быть просто точечными частицами.
Сасскинд понял - формула описывает нить, которая подобна упругой резинке. Она могла не только растягиваться и сжиматься, но и колебаться, извиваться. Описав свое открытие, сасскинд представил революционную идею струн.
К сожалению, подавляющее большинство его коллег встретили теорию весьма прохладно. Стандартная модель. В то время общепринятая наука представляла частицы точками, а не струнами.
В течение многих лет физики исследовали поведение субатомных частиц, сталкивая их на высоких скоростях и изучая последствия этих столкновений. Выяснилось, что вселенная намного богаче, чем это можно было себе представить. Это был настоящий "Демографический Взрыв" элементарных частиц.
Аспиранты физических вузов бегали по коридорам с криками, что открыли новую частицу, - не хватало даже букв для их обозначения. Но, увы, в "Родильном Доме" новых частиц ученые так и не смогли отыскать ответ на вопрос - зачем их так много и откуда они берутся? Это подтолкнуло физиков к необычному и потрясающему предсказанию - они поняли, что силы, действующие в природе, также можно объяснить с помощью частиц.
То есть существуют частицы материи, а есть частицы - переносчики взаимодействий. Таковым, например, является фотон - частица света. Чем больше этих частиц - переносчиков - тех же фотонов, которыми обмениваются частицы материи, тем ярче свет.
Ученые предсказывали, что именно этот обмен частицами - переносчиками - есть не что иное, как то, что мы воспринимаем как силу. Это подтвердилось экспериментами. Так физикам удалось приблизиться к мечте Эйнштейна по объединению сил.
Ученые считают, что если мы перенесемся к моменту сразу после большого взрыва, когда вселенная была на триллионы градусов горячее, частицы - переносчики электромагнетизма и слабого взаимодействия станут неразличимы и объединятся в одну - един ственную силу, называемую электрослабой. А если вернуться во времени еще дальше, то электрослабое взаимодействие соединилось бы с сильным в одну суммарную "Суперсилу". Несмотря на то, что все это еще ждет своих доказательств, квантовая механика вдруг объяснила, как три из четырех сил взаимодействуют на субатомном уровне.
Причем объяснила красиво и непротиворечиво. Эта стройная картина взаимодействий, в конечном счете, получила название стандартной модели. Но, увы, и в этой совершенной теории была одна большая проблема - она не включала в себя самую известную силу макроуровня - гравитацию.
Для не успевшей "Расцвести" теории струн наступила "осень", уж слишком много проблем она содержала с самого рождения. Например, выкладки теории предсказали существование частиц, которых, как точно установили вскоре, не существует. Это так называемый тахион - частица, которая движется в вакууме быстрее света.
Помимо прочего выяснилось, что теория требует целых 10 измерений. Неудивительно, что это очень смущало физиков, ведь это очевидно больше, чем то, что мы видим. К 1973 году только несколько молодых физиков все еще боролись с загадочными выкладками теории струн.
Одним из них был американский физик - теоретик Джон Шварц. В течение четырех лет Шварц пытался приручить непослушные уравнения, но без толку. Помимо других проблем, одно из этих уравнений упорно описывало таинственную частицу, которая не имела массы и не наблюдалась в природе.
Ученый уже решил забросить свое гиблое дело, и тут его осенило - может быть, уравнения теории струн описывают, в том числе, и гравитацию? Впрочем, это подразумевало пересмотр размеров главных "Героев" теории - струн. Предположив, что струны в миллиарды и миллиарды раз меньше атома, "Струнщики" превратили недостаток теории в ее достоинство.
Таинственная частица, от которой Джон Шварц так настойчиво пытался избавиться, теперь выступала в качестве гравитона - частицы, которую долго искали и которая позволила бы перенести гравитацию на квантовый уровень. Именно так теория струн дополнила пазл гравитацией, отсутствующей в стандартной модели. Но, увы, даже на это открытие научное сообщество никак не отреагировало.
Теория струн оставалась на грани выживания. Но Шварца это не остановило. Присоединиться к его поискам захотел только один ученый, готовый рискнуть своей карьерой ради таинственных струн - Майкл Грин.
Субатомные матрешки. Несмотря ни на что, в начале 1980-х годов теория струн все еще имела неразрешимые противоречия, называемые в науке аномалиями. Шварц и Грин принялись за их устранение.
И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Каково же было изумление этих двоих, уже привыкших к тому, что их теорию пропускают мимо ушей, когда реакция ученого сообщества взорвала научный мир. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек.
Именно тогда теорию струн наградили титулом теории всего. Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания.
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.
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. Во-первых, обязательным является наличие суперсимметрии. Ожидается, что вступающий в строй в 2007 году Большой адронный коллайдер сможет открыть некоторые суперсимметричные частицы. Это будет серьёзной поддержкой теории суперструн. Во-вторых, в моделях с локализацией наблюдаемой вселенной в мультивселенной изменяется закон гравитации тел на малых расстояниях.
В настоящее время проводится ряд экспериментов, проверяющих с высокой точностью закон всемирного тяготения на расстояниях в доли миллиметра. Обнаружение отклонения от этого закона было бы ключевым аргументом в пользу суперсимметричных теорий. В-третьих, в тех же самых моделях гравитация может становиться очень сильной уже на энергетических масштабах порядка нескольких ТэВ , что делает возможной её проверку на Большом адронном коллайдере. В настоящее время идёт активное исследование процессов рождения гравитонов и микроскопических чёрных дыр в таких вариантах теории. Наконец, некоторые варианты теории струн приводят также и к наблюдательным астрофизическим предсказаниям. Суперструны, D-струны или другие струнные объекты, растянутые до межгалактических размеров, обладают сильным гравитационным полем и могут выступать в роли гравитационных линз.
Чтобы уменьшить градус майндфака, попробуйте повернуть на 360 градусов чашку кофе, стоящую на ладони. Получилось то же, с чего начали? Ощущения в руке вам подскажут, что не совсем то. А вот если… впрочем, гляньте-ка лучше видео. Бозонами называются те частицы, которые имеют целочисленный спин. Фермионы — те, у кого спин полуцелый. Так вот, первая версия теории струн описывала только бозоны, что было ещё одной из причин, по которым она до сих пор стоит на морозе. Обновлённый вариант теории струн включал в себя и фермионы, и тут все поняли, что при таком подходе проблема ненужных тахионов, как и множество других противоречий, исчезает! Но, как всегда, не обошлось без проблем. Новая теория струн не только заставила всех просветлиться, но и вбросила говна на вентилятор: по ней получалось, что для каждого бозона должен существовать соответствующий фермион, то есть между бозонами и фермионами должна существовать определённая симметрия. Такой вид симметрии предсказывался и раньше — под названием «суперсимметрия». Фейл заключался в том, что никто и никогда не наблюдал эти самые суперсимметричные фермионы. Объяснение тому нашли простое: по расчётам, суперсимметричные фермионы должны обладать огромной для микромира массой, и потому в обычных условиях их хрен получишь. Для того, чтобы зарегистрировать их, нужны огромные энергии, которые достигаются при столкновении лёгких частиц на почти световых скоростях. Физики, осознав, в какой жопе они оказались, стали плакаться в жилетку всем, кому ни попадя, и причитать «бида-бида, канец науке». Неизвестно, кому они продали душу , но в итоге им удалось разжалобить больших дядь на серьёзные бабки для строительства Большого адронного коллайдера и пары коллайдеров поменьше. Да-да, именно так, Анон — одной из целей воздвижения этой НЁХ было именно получение суперсимметричных фермионов. Доводы школолофизика о 9-и измерениях, часть рас часть два Итак, теорию струн заменили теорией суперструн, но легче не стало: не успели физики прийти в себя от бодуна после празднования новой теории, как во все дыры полезли новые глюки. В итоге помощь пришла оттуда, откуда совсем не ждали. Ещё в далёком 1919 году никому тогда не известный немецкий математик Калуца прислал Эйнштейну письмо, где изложил свою теорию: наша Вселенная, вполне может статься, не трехмерная, а измерений может иметься более 9000. В своих работах Калуца делал допущение, что на самом деле Вселенная может быть четырехмерной в пространстве, и в доказательство своих слов приводил свои расчёты, из которых получалось, что при таком условии ОТО замечательно согласовывается с теорией электромагнитного поля Максвелла, чего невозможно достичь в обычной трехмерной Вселенной. Эйнштейна письмо не впечатлило ещё бы, он только что придумал охуительно сложную теорию, хочется дать продохнуть мозгам, а тут ещё какой-то укуренный немец лезет со своим атсралом , и он ответил лишь « Окей ». В 1926 году физик Оскар Клейн заинтересовался работами Калуцы и усовершенствовал его модель. По Клейну получалось, что дополнительное измерение действительно может существовать, но оно находится в «свёрнутом» и зацикленном на самом себе виде. Причём свернуто четвёртое измерение очень туго — до размеров элементарных частиц, поэтому мы его и не замечаем. Вспомнили о Калуце в восьмидесятых годах, когда теория струн в очередной раз оказалась в жопе. Воспалённые мозги физиков в попытке объяснить несоответствия теории струн с квантовой механикой докатились до того, что было выдвинуто предположение — вся хуйня в расчётах была в том, что струны в нашей теории могут колебаться всего лишь в трёх направлениях, которыми располагает наша Вселенная. Вот если бы струны могли бы колебаться в четырёх измерениях… О, да тут же был какой-то Калуца, кстати, где он? Расчёты показали, что и в этом случае следует неиллюзорный фейл, но зато число противоречий в уравнениях вроде уменьшилось. Взбодренные физики продолжали увеличивать число измерений, пока не ввели все 9!!! И тогда физики громогласно провозгласили, что на самом деле мы живём в десятимерной Вселенной, в том числе одно измерение во времени, три знакомых нам измерения развернуты до космических размеров, а остальные шесть свернуты в микроскопических масштабах и потому незаметны. Такие дела. Причём ни подтвердить, ни опровергнуть это на эксперименте практически никак нельзя, ибо речь идёт о таких малых масштабах струн и свернутых измерений, что современная аппаратура ничего не найдёт. Физики были счастливы, общественность охуевала и окончательно утвердилась в мысли, что физика — бесполезная наука. Рождение M-теории[ править ] Двумерная проекция трехмерной визуализации пространства Калаби-Яу Окрыленные новыми успехами, физики ринулись в бой, но скоро опять стали раздаваться возгласы: « WTF? Основным успехом явилось то, что физикам удалось по крайней мере, на бумаге установить общий вид шести свернутых измерений, необходимый для того, чтобы наш мир при этом оставался таким, какой он есть. Оказалось, что этот вид соответствует некоторым математическим объектам из группы под названием «Многообразия Яу» названа по имени развеселого и улыбчивого китайского математика по фамилии Яу, описавшего ее. Главный фейл — то, что хотя общий вид этих объектов и вычислили, но точный вид, как оказалось, нельзя установить без эксперимента. Без нахождения точного вида пространства Калаби-Яу нашей Вселенной вся теория струн скатывалась практически в гадание на кофейной гуще. Впрочем, работы продолжались, и постепенно физикам удалось вычленить из общей массы гипотез пять более-менее правдоподобных теорий, которые могли бы описать нашу Вселенную. Ситуация сложилась вообще аховая — теперь теорий стало больше, чем надо, и это было нехорошо. Авторитет теории струн падал, дальнейшие направления для исследований не виделись, учёные пинали хуи целыми месяцами и потихоньку начали тухнуть. Но в середине девяностых годов прошлого века произошла так называемая вторая революция в теории струн. Неизвестно, чем и куда упоролись физики, но путём фатальных разрывов мозга один из них родил гипотезу, что десять измерений — это, конечно, хорошо, но всё выглядит так, будто чего-то не хватаэ. Оказалось, что введение ещё одного измерения со скрипом, но укладывается в ложе квантовой теории и ОТО, и более того — снимает очень многие накопившиеся проблемы в теории струн. В том числе успешно скрещивает все пять недотеорий в одну-единственную убертеорию. Вот её-то и назвали без фантазии M-теорией, и именно она на сегодня является высшим достижением матанщиков в деле познания Вселенной. Есть, однако, теория, согласно которой мы очень даже наблюдаем многомерные браны и иные измерения, только ещё не догадываемся об этом. Согласно этой теории, загадочная тёмная материя есть вовсе не какие-то несуществующие слабовзаимодействующие частицы, а самая обычная материя - только существующая не в нашем измерении, а в параллельных. Гравитация, согласно этой теории, одна на все измерения, и непонятная гравитация, порождаемая невидимой материей, на самом деле долетает к нам из измерения Зен. О как! Переименование старого брэнда «теория струн» было оправданно, ибо по M-теории получается, что основа Вселенной — не только одномерные струны. К ужасу всего научного сообщества, оказалось, что могут существовать и двухмерные аналоги струн — мембраны , и трёхмерные, и четырёхмерные… Эти конструкции были названы бранами струна — 1-брана, мембрана — 2-брана, и так далее. На то, что эти самые браны нигде не были экспериментально зарегистрированы, физики дружно положили болт — хули, не впервой, и вообще мы тут делом заняты, а вы мешаете своими претензиями.
Что такое теория струн простыми словами (насколько это возможно)?
1) «Теория струн» в первоначальном виде сама по себе уже устарела и сейчас это название закрепилось не за первоначальной теорией, а за целым семейством – собственно теория струн, теория суперструн и М-теория. В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. Теория струн для чайников, предполагает объединение идей квантовой механики и теории относительности, представляя элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами.
Что такое теория струн и может ли она открыть дверь в другие измерения
В своей основе Теория струн отрицает теорию Большого взрыва и утверждает, что Вселенная существовала всегда. Рассказать о теории струн кратко вряд ли получится. Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений.
Что такое теория струн? Простой обзор
В новой работе исследователи рассматривали двойственность двух видов теории струн — F-теории и гетеротической — в восьми измерениях. Теории струн быть Команда нашла четыре уникальных способа разрезать поверхности K3 особенно полезным способом, с помощью якобианских эллиптических расслоений — комплексов из нескольких волокон, по форме напоминающих батон или бублик. Исследователи построили явные уравнения для каждого из этих расслоений и показали, что концепции теории струн в реальном физическом мире имеют право на существование. Пример К3 поверхности «Вы можете думать об этом семействе поверхностей как о буханке хлеба, а о каждой фибрации — как о «ломтике» этой буханки», пишут исследователи.
Изучая последовательность «ломтиков», мы можем визуализировать и лучше понять всю буханку. По мнению авторов статьи, важной частью этого исследования является выявление определенных геометрических строительных блоков, называемых «делителями», внутри каждой поверхности K3. Часы кропотливой работы, в результате позволили математикам доказать теоремы каждого из четырех расслоений, а затем протолкнуть каждую теорему через сложные алгебраические формулы.
Издание SciTechDaily приводит слова авторов исследования о том, что для последней части этого процесса ученые использовали программное обеспечение Maple и специализированный пакет дифференциальной геометрии, который оптимизировал вычислительные усилия. Наша Вселенная очень странная и возможно состоит из струн Отметим, что начиная с 1980-х гг.
К примеру, фотон является бозоном, переносящим электромагнитное взаимодействие, гравитон — гравитационное, или тот же бозон Хиггса, распространяющий взаимодействие с полем Хиггса. 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.
Физики-теоретики считают, что все сущее состоит из струн, однако проверить это экспериментальными методами до сих пор никому не удалось. Струны Вселенной Искусно сочетая в себе идеи квантовой механики и общей теории относительности ОТО , струнная теория, как полагают физики, должна построить будущую теорию гравитации. Однако сегодня ученые все больше критикуют теорию струн и все реже уделяют ей внимание из-за огромного количества вопросов, которые она порождает. Однако согласно результатам нового исследования, опубликованного в журнале Letters in Mathematical Physics, теория струн все же, имеет право на существование. Математики из университета штата Юта и Сент-Луисского университета опубликовали результаты математических расчетов о двух ветвях теории струн. В ходе работы исследователи изучили специальное семейство компактных K3-поверхностей — связанных комплексных двумерных поверхностей.
Они представляют собой важные геометрические инструменты для понимания симметрий физических теорий. Пример поперечного сечения поверхности K3 в 3-х мерном пространстве, используемой математиками для изучения струнных двойственностей между F-теорией и гетеротической теорией в восьми измерениях. Напомним, что одной из важных особенностей теории струн является то, что она требует дополнительных измерений пространства-времени для математической согласованности.
В ходе работы исследователи изучили специальное семейство компактных K3-поверхностей — связанных комплексных двумерных поверхностей. Они представляют собой важные геометрические инструменты для понимания симметрий физических теорий. Пример поперечного сечения поверхности K3 в 3-х мерном пространстве, используемой математиками для изучения струнных двойственностей между F-теорией и гетеротической теорией в восьми измерениях. Напомним, что одной из важных особенностей теории струн является то, что она требует дополнительных измерений пространства-времени для математической согласованности. Однако далеко не каждый способ обработки этих дополнительных измерений, также называемый «компактификацией», дает модель с правильными свойствами для описания природы. Для так называемой восьмимерной компактификации модели теории струн, называемой F-теорией, дополнительные измерения должны иметь форму поверхности K3. В новой работе исследователи рассматривали двойственность двух видов теории струн — F-теории и гетеротической — в восьми измерениях.
Теории струн быть Команда нашла четыре уникальных способа разрезать поверхности K3 особенно полезным способом, с помощью якобианских эллиптических расслоений — комплексов из нескольких волокон, по форме напоминающих батон или бублик. Исследователи построили явные уравнения для каждого из этих расслоений и показали, что концепции теории струн в реальном физическом мире имеют право на существование. Пример К3 поверхности «Вы можете думать об этом семействе поверхностей как о буханке хлеба, а о каждой фибрации — как о «ломтике» этой буханки», пишут исследователи.
Суть теории струн
- Современное состояние теории струн
- Теория струн в математической физике: кратко и простыми словами
- Космический эксперимент поставил под сомнение теорию струн - Российская газета
- Что такое теория струн
- Теория струн, или Теория всего
Теория струн
В распоряжении теории струн имеется два таких механизма. Компактификация Проекция 6-мерного пространства Калаби — Яу , полученная с помощью Mathematica Первый из них заключается в компактификации дополнительных 6 или 7 измерений, то есть замыкание их на себя на таких малых расстояниях, что они не могут быть обнаружены в экспериментах. Шестимерное разложение моделей достигается с помощью пространств Калаби — Яу. Классическая аналогия, используемая при рассмотрении многомерного пространства, — садовый шланг [54]. Если наблюдать шланг с достаточно далёкого расстояния, будет казаться, что он имеет только одно измерение — длину. Но если приблизиться к нему, обнаруживается его второе измерение — окружность. Истинное движение муравья, ползающего по поверхности шланга, двумерно, однако издалека оно нам будет казаться одномерным. Дополнительное измерение доступно наблюдению только с относительно близкого расстояния, поэтому и дополнительные измерения пространства Калаби — Яу доступны наблюдению только с чрезвычайно близкого расстояния, то есть практически не обнаруживаемы. Локализация Другой вариант — локализация — состоит в том, что дополнительные измерения не столь малы, однако в силу ряда причин все частицы нашего мира локализованы на четырёхмерном листе в многомерной вселенной мультивселенной и не могут его покинуть. Этот четырёхмерный лист брана и есть наблюдаемая часть мультивселенной. Поскольку мы, как и вся наша техника, состоим из обычных частиц, то мы в принципе неспособны взглянуть вовне.
Единственная возможность обнаружить присутствие дополнительных измерений — гравитация. Гравитация, будучи результатом искривления пространства-времени, не локализована на бране, и потому гравитоны и микроскопические чёрные дыры могут выходить вовне. В наблюдаемом мире такой процесс будет выглядеть как внезапное исчезновение энергии и импульса, уносимых этими объектами. Проблемы Возможность критического эксперимента Теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не даёт однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в критическом эксперименте. Таким образом, теория струн находится пока в «зачаточной стадии»: она обладает множеством привлекательных математических особенностей и может стать чрезвычайно важной в понимании устройства Вселенной, но требуется дальнейшая разработка для того, чтобы принять её или отвергнуть. Поскольку теорию струн, скорее всего, нельзя будет проверить в обозримом будущем в силу технологических ограничений, некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли данная теория статуса научной, поскольку, по их мнению, она не является фальсифицируемой в попперовском смысле [12] [55]. Разумеется, это само по себе не является основанием считать теорию струн неверной. Часто новые теоретические конструкции проходят стадию неопределённости, прежде чем, на основании сопоставления с результатами экспериментов, признаются или отвергаются см. Поэтому и в случае теории струн требуется либо развитие самой теории, то есть методов расчёта и получения выводов, либо развитие экспериментальной науки для исследования ранее недоступных величин. Фальсифицируемость и проблема ландшафта В 2003 году выяснилось [57] , что существует множество способов свести 10-мерные суперструнные теории к 4-мерной эффективной теории поля.
Сама теория струн не давала критерия, с помощью которого можно было бы определить, какой из возможных путей редукции предпочтителен. Каждый из вариантов редукции 10-мерной теории порождает свой 4-мерный мир, который может напоминать, а может и отличаться от наблюдаемого мира. Всю совокупность возможных реализаций низкоэнергетического мира из исходной суперструнной теории называют ландшафтом теории. Оказывается, количество таких вариантов поистине огромно. Считается, что их число составляет как минимум 10100 , вероятнее — около 10500; не исключено, что их вообще бесконечное число [58].
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. Однако помимо этого в ней содержались дополнительные частицы-переносчики взаимодействия, не имевшие никакого отношения к экспериментальным проявлениям сильного взаимодействия. В 1974 г. Шварц и Джоэль Шерк из французской Высшей технической школы сделали смелое предположение, которое превратило этот кажущийся недостаток в достоинство. Изучив странные моды колебаний струн, напоминающие частицы-переносчики, они поняли, что эти свойства удивительно точно совпадают с предполагаемыми свойствами гипотетической частицы-переносчика гравитационного взаимодействия — гравитона. Хотя эти «мельчайшие частицы» гравитационного взаимодействия до сих пор так и не удалось обнаружить, теоретики могут уверенно предсказать некоторые фундаментальные свойства, которыми должны обладать эти частицы. Шерк и Шварц обнаружили, что эти характеристики в точности реализуются для некоторых мод колебаний.
В ходе работы исследователи изучили специальное семейство компактных K3-поверхностей — связанных комплексных двумерных поверхностей. Они представляют собой важные геометрические инструменты для понимания симметрий физических теорий. Пример поперечного сечения поверхности K3 в 3-х мерном пространстве, используемой математиками для изучения струнных двойственностей между F-теорией и гетеротической теорией в восьми измерениях. Напомним, что одной из важных особенностей теории струн является то, что она требует дополнительных измерений пространства-времени для математической согласованности. Однако далеко не каждый способ обработки этих дополнительных измерений, также называемый «компактификацией», дает модель с правильными свойствами для описания природы. Для так называемой восьмимерной компактификации модели теории струн, называемой F-теорией, дополнительные измерения должны иметь форму поверхности K3. В новой работе исследователи рассматривали двойственность двух видов теории струн — F-теории и гетеротической — в восьми измерениях. Теории струн быть Команда нашла четыре уникальных способа разрезать поверхности K3 особенно полезным способом, с помощью якобианских эллиптических расслоений — комплексов из нескольких волокон, по форме напоминающих батон или бублик. Исследователи построили явные уравнения для каждого из этих расслоений и показали, что концепции теории струн в реальном физическом мире имеют право на существование.
Теория струн описывает их как протяженные объекты — некие струны, подобные тончайшим волокнам или лентам. Их размеры — масштаба планковской длины, то есть порядка 10-35 м. Все струны одинаковы, а все наблюдаемые частицы и кванты полей суть различные типы колебаний этих 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.
Теория струн, Мультивселенная
Как и любая неподтвержденная теория, теория струн имеет ряд проблем, которые говорят о том, что она требует доработки. Как известно, теория струн была предложена в 1970-х годах для решения проблем квантовой гравитации и Стандартной модели. Что такое теория струн, какие пять основных элементов в нее входят, является ли она теорией всего, какие у нее недостатки в статье на Оказалось, что теория струн замечательно может свести все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной к одному — колебанию одномерной струны с соответствующим переносом энергии. В теории струн каждая струна колеблется так же, в зависимости от влияющих на нее факторов.
Теория струн
- Почему обычное представление о частицах не совсем верно
- Квантовая механика – следствие теории струн?
- Варианты теории струн
- Содержание
- Противоречие физики
Почему обычное представление о частицах не совсем верно
- Суть теории струн
- Читайте также
- Современное состояние теории струн
- Что такое Теория струн и существует ли 10-ое измерение
Космический эксперимент поставил под сомнение теорию струн
Помимо других проблем, одно из этих уравнений упорно описывало таинственную частицу, которая не имела массы и не наблюдалась в природе. Ученый уже решил забросить свое гиблое дело, и тут его осенило — может быть, уравнения теории струн описывают, в том числе, и гравитацию? Впрочем, это подразумевало пересмотр размеров главных «героев» теории — струн. Предположив, что струны в миллиарды и миллиарды раз меньше атома, «струнщики» превратили недостаток теории в ее достоинство. Таинственная частица, от которой Джон Шварц так настойчиво пытался избавиться, теперь выступала в качестве гравитона — частицы, которую долго искали и которая позволила бы перенести гравитацию на квантовый уровень. Именно так теория струн дополнила пазл гравитацией, отсутствующей в Стандартной модели. Но, увы, даже на это открытие научное сообщество никак не отреагировало.
Теория струн оставалась на грани выживания. Но Шварца это не остановило. Присоединиться к его поискам захотел только один ученый, готовый рискнуть своей карьерой ради таинственных струн — Майкл Грин. За открытие этих «оснований» в 2011 году была вручена Нобелевская премия по физике. Состояло оно в том, что расширение Вселенной не замедляется, как думали когда-то, а, наоборот, ускоряется. Объясняют это ускорение действием особой «антигравитации», которая каким-то образом свойственна пустому пространству космического вакуума.
С другой стороны, на квантовом уровне ничего абсолютно «пустого» быть не может — в вакууме постоянно возникают и тут же исчезают субатомные частицы. Такое «мелькание» частиц, как полагают, и ответственно за существование «антигравитационной» темной энергии, которая наполняет пустое пространство. В свое время именно Альберт Эйнштейн, до конца жизни так и не принявший парадоксальные принципы квантовой механики которую он сам и предсказал , предположил существование этой формы энергии. Следуя традициям классической греческой философии Аристотеля с ее верой в вечность мира, Эйнштейн отказывался поверить в то, что предсказывала его собственная теория, а именно то, что Вселенная имеет начало. Чтобы «увековечить» мироздание, Эйнштейн даже ввел в свою теорию некую космологическую постоянную, и таким образом описал энергию пустого пространства. К счастью, через несколько лет выяснилось, что Вселенная — вовсе не застывшая форма, что она расширяется.
Тогда Эйнштейн отказался от космологической постоянной, назвав ее «величайшим просчетом в своей жизни». Сегодня науке известно — темная энергия все-таки существует, хотя плотность ее намного меньше той, что предполагал Эйнштейн проблема плотности темной энергии, кстати, — одна из величайших загадок современной физики. Но как бы ни была мала величина космологической постоянной, ее вполне достаточно для того, чтобы убедиться в том, что квантовые эффекты в гравитации существуют. Шварц и Грин принялись за их устранение. И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек.
Именно тогда теорию струн наградили титулом Теории Всего. Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания. И вот эти составляющие. Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц — электронов, которые кружатся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц — кварков. Но теория струн утверждает, что на кварках дело не заканчивается.
Кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны. Каждая из таких струн невообразимо мала. Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров Солнечной системы, струна была бы размером с дерево. Так же, как различные колебания струны виолончели создают то, что мы слышим, как разные музыкальные ноты, различные способы моды вибрации струны придают частицам их уникальные свойства — массу, заряд и прочее. Знаете, чем, условно говоря, отличаются протоны в кончике вашего ногтя от пока не открытого гравитона? Только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются.
Конечно, все это более чем удивительно. Еще со времен Древней Греции физики привыкли к тому, что все в этом мире состоит из чего-то вроде шаров, крошечных частиц. И вот, не успев привыкнуть к алогичному поведению этих шаров, вытекающему из квантовой механики, им предлагается вовсе оставить парадигму и оперировать какими-то обрезками спагетти… Пятое измерение Хотя многие ученые называют теорию струн триумфом математики, некоторые проблемы у нее все же остаются — прежде всего, отсутствие какой-либо возможности в ближайшее время проверить ее экспериментально. Ни один инструмент в мире, ни существующий, ни способный появиться в перспективе, «увидеть» струны неспособен. Поэтому некоторые ученые, кстати, даже задаются вопросом: теория струн — это теория физики или философии?.. Правда, видеть струны «воочию» вовсе не обязательно.
Для доказательства теории струн требуется, скорее, другое — то, что звучит как научная фантастика — подтверждение существования дополнительных измерений пространства. О чем идет речь? Все мы привыкли к трем измерениям пространства и одному — времени.
Струна определенной длины, бьющая на определенной ноте, может приобрести свойства фотона, а другая струна, свернутая и вибрирующая с другой частотой, может играть роль кварка, и так далее. В дополнение к укрощению гравитации, теория струн была привлекательна своим потенциалом для объяснения значений так называемых фундаментальных констант, таких как масса электрона. Теоретики надеялись, что следующим шагом будет поиск правильного способа описания сворачивания и движения струн, но эта кажущаяся простота оказалась на самом деле неожиданно сложной. Математика теории струн не работала в наших привычных четырех измерениях три пространственных и одно временное. В общей сложности потребовалось 10 измерений, шесть из которых нам недоступны, подобно тому, как линия электропередач выглядит одномерной для птиц, летящих высоко, но становится 3D-цилиндром для муравья, ползущего по ней.
Дамир Зарипов Профи 683 , закрыт 6 лет назад Арсений Енин Мыслитель 5536 10 лет назад Теория струн — направление теоретической физики, изучающее динамику и взаимодействия не точечных частиц, а одномерных протяжённых объектов, так называемых квантовых струн. Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации. Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностей квантовой теории поля, как перенормировка, а с другой стороны, приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени.
Получив это уравнение, Калуца распознал в нём уравнение электромагнитного поля, обнаруженное Максвеллом полувеком ранее. Как показал Калуца, во вселенной с одним дополнительным пространственным измерением гравитация и электромагнетизм могут быть описаны единым образом как пространственно-временные искривления. Но гравитация рябит в привычных трёх пространственных измерениях, а электромагнетизм — в четвёртом. Огромной проблемой для гипотезы Калуцы стало объяснение того, почему мы не видим четвёртое пространственное измерение. Именно тогда Калуца предложил описанное выше решение: дополнительные измерения, если они достаточно малы, могут ускользать от фиксации нашими органами чувств и оборудованием.
Однако последующие исследования показали, что программа Калуцы—Клейна сталкивается с некоторыми препятствиями, самым трудным из которых является невозможность встроить детальные свойства частиц материи, таких как электрон, в математическую структуру. В течение двух десятилетий предлагались и отвергались различные способы обойти эту проблему. Однако поскольку не было предложено ни одного подхода, свободного от этих недостатков, то к середине 1940-х годов идея объединения через дополнительные измерения практически была забыта. Спустя тридцать лет возникла теория струн. Математический аппарат теории струн не просто разрешал существование во Вселенной дополнительных измерений, он требовал их присутствия.
Теория струн возродила программу Калуцы—Клейна, и к середине 1980-х годов учёные во всём мире воодушевлённо полагали, что это только вопрос времени, когда теория струн приведёт к полному описанию всей материи и взаимодействий. Большие надежды В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно. При таком возбуждении понятно, что некоторые теоретики заговорили о скорой революции в решении основных проблем фундаментальной физики: слиянии гравитации и квантовой механики, объединении всех сил в природе, выяснении происхождения Вселенной. Но более умудрённые физики полагали, что такие надежды преждевременны. Теория струн настолько насыщена, обширна и математически трудна, что спустя почти три десятилетия после первой эйфории современные учёные одолели лишь часть исследовательского пути.
С учётом того, что мир квантовой гравитации в сотни миллиардов миллиардов раз меньше чем всё, что мы сегодня можем экспериментально измерить, дорога будет длинная, даже по самым скромным оценкам. Теория струн и свойства частиц Один из самых основных вопросов всей физики стоит так: почему частицы, которые наблюдаются в природе, являются именно такими, а не какими-нибудь другими? Интерес к этому вопросу непросто академический, он отражает очень важный факт. Если бы у частиц были другие свойства, ядерные процессы, питающие звёзды, подобные нашему Солнцу, были бы нарушены. Вселенная без звёзд была бы совсем другой.
Очевидно, что без солнечного света и тепла не возникла бы сложная цепочка событий, приведшая к возникновению жизни на Земле. Поэтому возникает фундаментальный вопрос: как с помощью ручки, бумаги и, возможно, компьютера, а также руководствуясь нашим пониманием законов природы, вычислить свойства частиц и получить результаты, которые согласуются с экспериментальными данными. В рамках квантовой теории поля ответа на этот вопрос нет и не может быть. В квантовой теории поля измеренные свойства частиц выступают в качестве исходных данных — на их основе строится и определяется сама теория. Сможет ли теория струн справиться с этим лучше?
Одна из самых красивых черт струнной теории состоит в том, что свойства частиц определяются размером и формой дополнительных измерений. Поскольку струны очень малы, они вибрируют не только в трёх привычных больших измерениях, но и в малых, свёрнутых измерениях. Колебания струн в струнной теории определяются формой скрученных измерений. Вспоминая, что вибрационное поведение струн определяет свойства частиц, такие как массу и электрический заряд, мы видим, что эти свойства диктуются геометрией дополнительных измерений. Поэтому если достоверно известно, как выглядят дополнительные измерения в теории струн, то можно легко предсказать любые свойства вибрирующих струн и, следовательно, все свойства элементарных частиц, порождённых колебаниями струны.
Трудность, как и раньше, в том, что никто не знает, какова точная геометрическая форма дополнительных измерений. Уравнения теории струн накладывают математические ограничения на геометрию дополнительных измерений и требуют, чтобы они принадлежали частному классу так называемых пространств Калаби—Яу. Проблема в том, что нет какой-то одной, выделенной формы Калаби—Яу. Наоборот, эти пространства имеют разные размеры и контуры. Дополнительные измерения, различающиеся по размерам и по форме, порождают разные вибрации струн и, следовательно, разные наборы свойств частиц.
Отсутствие однозначной спецификации для дополнительных измерений является главным камнем преткновения, который не позволяет струнным теоретикам делать конкретные предсказания. В середине 1980-х годов, было известно небольшое количество пространств Калаби—Яу, поэтому можно было надеяться проанализировать каждое из них и соотнести с известной физикой. Спустя несколько лет, число пространств Калаби—Яу возросло до нескольких тысяч, что стало серьёзной задачей для обстоятельного изучения. Время шло и число страниц в каталоге пространств Калаби—Яу только увеличивалось. Теперь их больше чем песчинок на пляже.
И речи быть не может о том, чтобы математически рассмотреть каждое на роль дополнительных измерений. Поэтому струнные теоретики продолжают поиск математической подсказки, которая позволит выделить из всех возможных пространств Калаби—Яу то самое, единственное. Теория струн пока не реализовала свои возможности по объяснению свойств фундаментальных частиц. В этом отношении теория струн до сих пор не имеет особых преимуществ перед квантовой теорией поля. Теория струн и эксперименты Если типичная струна имеет чрезвычайно крохотный размер, то для обнаружения её протяжённой структуры — той самой характеристики, которая отличает её от частицы — потребуется ускоритель в миллионы миллиардов раз мощнее, чем БАК.
Предполагая, что выдающийся технологический прорыв не предвидится, такая ситуация означает, что на сравнительно малых энергиях, достижимых на имеющихся ускорителях, струны неотличимы от точечных частиц. Экспериментальная версия упомянутого ранее теоретического факта: на низких энергиях теория струн сводится к квантовой теории поля. Таким образом, даже если теория струн и является правильной фундаментальной теорией, в широком диапазоне доступных экспериментов она будет проявляться как квантовая теория поля. Выбор полей и кривых энергий в квантовой теории поля равносилен выбору формы дополнительных измерений в теории струн. Одна из проблем в теории струн состоит в том, что математика, которая связывает свойства частиц с формой дополнительных измерений, в высшей степени своеобразна.
Поэтому работа в обратном направлении очень трудна — использование экспериментальных данных для определения конкретной формы дополнительных измерений, аналогично тому, как такие данные определяют состав полей и кривых энергий в квантовой теории поля. В обозримом будущем наиболее обещающим способом связи теории струн с экспериментальными данными будут предсказания, которые можно объяснить с помощью более традиционных методов, но для которых гораздо более естественное и убедительное объяснение возникает из теории струн. Теория струн, сингулярность и черные дыры В большинстве ситуаций квантовая механика и гравитация успешно игнорируют друг друга, при этом первая применяется к малым объектам, таким как молекулы и атомы, а вторая к большим объектам, соразмерным звёздам и галактикам. Однако обе теории вынуждены встречаться в мирах, известных как сингулярности. Сингулярность — это любая физическая ситуация, реальная или гипотетическая, которая настолько экстремальна огромные массы, малый размер, гигантская кривизна пространства, проколы или разрывы в самой пространственно-временной структуре , что квантовая механика и общая теория относительности ведут себя неадекватно.
Цель любой квантовой теории гравитации - свести воедино квантовую механику и гравитацию таким образом, чтобы сингулярности исчезли.