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.
Теория струн простым языком
Теория струн применима к познанию строения микромира не в том смысле, что там кругом висят верёвочки, а что описание происходящих в микромире процессов математически сходно с описанием неких “струн”. Шерк и Шварц объявили, что теория струн — это не просто теория сильного взаимодействия, это квантовая теория, которая, помимо всего прочего, включает гравитацию.{27}. Как известно, теория струн была предложена в 1970-х годах для решения проблем квантовой гравитации и Стандартной модели.
Что такое теория струн
Следствия В результате вместо одного возникло 10 500 решений. Для некоторых физиков это стало причиной кризиса, другие же приняли антропный принцип, объясняющий свойства вселенной нашим присутствием в ней. Остается ожидать, когда теоретики найдут другой способ ориентирования в теории суперструн. Некоторые интерпретации говорят о том, что наш мир не единственный. Наиболее радикальные версии позволяют существование бесконечного числа вселенных, некоторые из которых содержат точные копии нашей. Теория Эйнштейна предсказывает существование свернутого пространства, которое называют червоточиной или мостом Эйнштейна-Розена. В этом случае два отдаленных участка связаны коротким проходом. Теория суперструн позволяет не только это, но и соединение отдаленных точек параллельных миров. Возможен даже переход между вселенными с разными законами физики. Однако вероятен вариант, когда квантовая теория гравитации сделает их существование невозможным. Многие физики считают, что голографический принцип, когда вся информация, содержащаяся в объеме пространства, соответствует информации, записанной на его поверхности, позволит глубже понять концепцию энергетических нитей.
Некоторые полагают, что теория суперструн позволяет множественность измерений времени, следствием чего может быть путешествие через них. Кроме того, в рамках гипотезы существует альтернатива модели большого взрыва, согласно которой наша вселенная появилась в результате столкновения двух бран и проходит через повторяющиеся циклы создания и разрушения. Конечная судьба мироздания всегда занимала физиков, и окончательная версия теории струн поможет определить плотность материи и космологическую константу. Зная эти значения, космологи смогут установить, будет ли вселенная сжиматься до тех пор, пока не взорвется, чтобы все началось снова. Никто не знает, к чему может привести научная теория, пока она не будет разработана и проверена. Создатели квантовой физики не знали, что она станет основой для создания лазера и транзистора. 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?
Причина, по которой мы не видим эти измерения в повседневной жизни, заключается в том, что они слишком малы, чтобы их обнаружить. Тем не менее, дополнительные измерения играют жизненно важную роль.
Конфигурация размеров определяет, как вибрирует струна и, следовательно, какая частица образуется. Струны вибрируют в одиннадцати измерениях, и частота, с которой вибрирует струна, зависит от того, как струна ориентирована в одиннадцати измерениях. Причина, по которой теория струн является потенциальной теорией всего, заключается в том, что она предсказывает, что все формы материи состоят из струн, и, следовательно, все на самом деле состоит из одного и того же «вещества». Будь то сила гравитации или электромагнитная сила, все это связано с вибрирующими струнами. В теории струн одно из многих колебательных состояний струны соответствует гравитону, квантовомеханической частице, которая несет гравитационную силу. Таким образом, можно сказать, что теория струн является теорией квантовой гравитации.
Давайте договоримся, что если мы вдруг докажем Вам, что даже на этот вопрос у Вас не найдётся адекватного ответа, то Вы, в дальнейшем, всегда первым делом будете пытаться понять, что, как, ради чего, кому и в каком контексте говориться то или иное и ЧТО при этом не договаривается? Ваша эмоциональная реакция понятна. Но ЭМОЦИИ, позволяющие ориентироваться в мгновения настоящего с учётом всей бесконечности прошлого опыта полезны, но лишь в том случае, в котором они высвечивают направление по которому движение, вызвавшее данное эмоциональное СОСТОЯНИЕ будет эволюционировать и в дальнейшем. Эфир это та реальность, которая позволяет понять первоистоки многого. До Эйнштейна было множество ученых,которые успешно отвечали на вопрос" Как устроен этот мир? Все естественно. Время меняется.
Если теперь попытаться ответить на вопрос, что из себя представляет теория струн в современном понимании, придется признать, что эта теория является не столько конкретной теорией или схемой, направленной на описание конкретной физической системы, сколько большая совокупность идей и методов, призванных дать широкое обобщение используемого физиками математического формализма и применить этот формализм во множестве новых приложений. В этом смысле теория струн —раздел математической физики, имеющий самостоятельную ценность, независимо от успехов конкретных попыток построить на ее основе модель того или иного физического явления. Совершенно естественно, что теория струн повторяет путь, пройденный в свое время, классической и квантовой теорией поля, так же зародившейся в недрах физики элементарных частиц и ставшей впоследствии одним из наиболее эффективных инструментов в исследовании самого широкого круга физических явлений. Как это происходило не раз при развитии других разделов науки, нередко наиболее плодотворными оказываются приложения математического аппарата, о которых даже и не подозревали при его создании. Более того, даже идеи, возникающие при создании нового формализма при его разработке, могут в итоге оказаться ошибочными и отброшенными как ложные. В лучшем случае их приходится модифицировать, а в худшем заменять на нечто, вообще ранее не предвиденное. Наличие такого рода критериев и определяет ценность этой теории в плане постановки новых физических и математических задач, указывая возможные пути их решения [1, 3]. Возникновение и использование теории струн, в широком смысле этих терминов, связано с необходимостью решения широкого круга задач, возникающих с завидным постоянством в самых различных областях современной физики и пониманием того, что от решения этих задач вряд ли возможно уйти. Попробуем выделить классы этих задач, избегая при этом излишней детализации и понимая, что такое разделение проблем на самом деле является довольно поверхностным и условным и никоим образом не претендует на какую бы то ни было общность. Теория сильной связи и вообще теория нелинейных явлений В настоящее время для обозначения всего, что связано с нелинейными процессами используется термин синергетика. По своим целям синергетика и теория струн весьма близки, но последняя отличается от первой более конкретными методами анализа, за что приходится платить меньшей универсальностью. Но при этом потеря универсальности приводит к более точным предсказанием развития процессов в изучаемом явлении. Методы теории струн позволяют довольно эффективно выделять различного рода симметрии процесса, очень часто являющиеся внутренними для изучаемой физической системы и далеко не очевидными на первый взгляд. Выделение подобных симметрий и их использование в дальнейшем, позволяет довольно эффективно описывать нелинейные системы. Струнный подход к описанию нелинейных систем исходит из кардинальной переформулировки исходной задачи в терминах, характерных для струнной теории. В этом смысле, от теории струн следует ожидать создание теории классов универсальности, фрагментами которой являются такие теории, как теория катастроф и теория фазовых переходов. Последняя из этих теорий, а точнее, задача о классификации фазовых переходов в 2- и 3-мерных системах, привела к созданию двух важнейших разделов струнной теории: двумерные конформные модели, например, известная специалистам сигма-модель в магнетизме, и исчисление случайных поверхностей. Теория систем со многими фазами и межфазовыми флуктуациями Этот круг проблем напрямую связан с предыдущими проблемами. В самом деле, системы со многими фазами и множественными случайными переходами из одной фазы в другую являются характерным примером систем с сильными по интенсивности взаимодействиями. Эти системы могут быть удовлетворительно описаны, если мы знаем или хотя бы догадываемся, как найти такую точку зрения, с которой она выглядит как слабовзаимодействующая. Однако и тут изменение параметров системы снова может снова превратить слабо нелинейную систему в сильно нелинейную. Тогда необходимо искать новый подход в описании системы, возвращающий ее в исходное состояние. Такая смена подходов в описании и является основным содержанием учения о фазовых состояниях и фазовых переходах. Традиционные разделы физики, посвященные этому предмету, ограничиваются простейшими случаями, когда имеется мало различных фазовых состояний и переходы между ними представляются довольно отчетливыми. Однако, в последнее время все больший интерес представляют собой системы, в которых это далеко не так. Открыты физические системы, в которых число различных фаз неограничено и, более того, существенны процессы перехода одной фазы в другую. Понятно, что описание таких систем должно строиться из каких-то иных, нетрадиционных соображений. Наиболее известные из таких систем — спиновые стекла системы хаотически ориентированных спинов и нейронные сети. Струнный подход к описанию таких систем основан на упомянутой выше переформулировке возникающей задачи в новых терминах, сглаживающих такие существенные различия между различными фазами и уравнениями, как число переменных, порядок и число уравнений и даже размерность пространства, в котором они записаны. Но тут сразу следует указать, что практического применения открывающихся в этом направлении возможностей пока дело не дошло.
Войти на сайт
Вы уже знаете, мы говорили об этом чуть выше: возможностью обходить препятствия. В двумерном пространстве можно двигаться как вверх-вниз, так и вперед-назад, даже по диагонали. Представьте себе любую игру-платформер, как, например, Mario, и вспомните, в каких направлениях вы могли там двигаться. В одномерном же пространстве мы можем двигаться только вперед или назад. Со временем все то же самое. Отличие одномерного времени от одномерного пространства лишь в том, что это луч, а не отрезок. И движется он только вперед, а значит назад во времени мы идти не можем. А что с двумерным временем? Не знаю, может вы можете представить, каково это, пересекать время по диагонали?
Струны Если вы до сих пор это читаете, то наверняка уже много раз задавались вопросом, когда уже будет что-нибудь про струны. Хоть мое объяснение и для чайников, это все же объяснение. Просто рассказать, что такое струны, было бы неправильно, да и теория в основном базируется именно на измерениях. И, чтобы наконец добраться до струн, нам придется хотя бы попытаться представить эти измерения. О первых четырех вы уже имеете представление. Грубо говоря, первые три измерения, это некая точка в четвертом. А точка, как известно, измерений не имеет. То есть с точки зрения времени, вы и весь сегодняшний день — лишь точка на временном луче.
Что есть пятое измерение? Аналогично тому, как мы сворачиваем условно двумерный лист бумаги, чтобы придать ему объем то есть третье измерение , нам придется «согнуть» четвертое, чтобы получить пятое. Да, нам нужно согнуть время, а вместе с ним, естественно и наше трехмерное пространство, ведь одно без другого никуда. Делаем мы это для того, чтобы свести две временные точки вместе. Путешествие во времени, скажете вы — пятое измерение, отвечу я. По сути мы просто помещаем наше одномерное время на двумерную временную плоскость. Таким образом у нас получается два отрезка в пятом измерении, в которых живет наш избранный Нео. Об этом мы и говорили чуть выше, описывая двумерное время.
Но как же нам перемещаться между этими отрезками, если мы живем в них одновременно? В пяти измерениях никак. Нужно снова согнуть нашу бумагу, чтобы отрезки соприкоснулись. Это шестое измерение. При этом все пять предыдущих измерений снова становятся лишь точкой в шестом. Если у вас еще не болит голова, идем дальше. Мы уже близко. Возьмем несколько точек, существующих в шести измерениях, и сделаем из них прямую.
Как вы уже догадались, это седьмое. По сути седьмое измерение — это набор параллельных Вселенных. Все они живут по разным законам, во всех их жизнь происходит по-разному. И та сущность, которая способна жить в семи измерениях, может существовать одновременно во всем этом многообразии миров. Отобразим семимерную прямую на плоскости, получим восьмое измерение. А девятое содержит несколько таких плоскостей. Вот вы уже представили, какая вакханалия существует в семи измерениях. Теперь вообразите, что будет если такой мир, в котором множество миров, тоже не один.
Это восьмое. А теперь возьмем всю эту матрешку, помножим бесконечность раз и получим девятое. А теперь вообразите себе нечто, что существует во всех девяти измерениях одновременно. То есть девятимерные точки собираются в прямую, которая находится на какой-то плоскости — десятом измерении. И такие точки, состоящие из девяти измерений, образуют бесконечно длинную прямую, на бесконечно длинной плоскости.
Эти невидимые человеческому глазу нити ученые воображали как замкнутые — в виде колец — и как открытые. Было решено, что длина струн настолько мала, что их с натяжкой можно рассматривать как точки, а значит, для фундаментальной физики ничего не изменилось.
Так возникло понятие «квантовая струна» — под ним подразумевается бесконечно тонкие одномерные объекты длиной в 10—35 м, колебания которых воспроизводят все многообразие элементарных частиц. Это была настоящая революция в мире физики, так как все ранее открытые «ингредиенты Вселенной» электроны, протоны, нейтроны и пр. Струны более массивных частиц совершают более интенсивные колебания, а струны более легких частиц колеблются менее интенсивно. В конечном итоге колебания на определенной частоте определяют свойства струн: массу и электрический заряд, что позволяет отнести их к определенной разновидности фундаментальных частиц, будь то кварк, фотон, глюон и др. Уровни строения мира. Макроскопический — вещество. Атомный — протоны, нейтроны и электроны.
Субатомный — электрон. Субатомный — кварки. Струнный От пяти теорий к одной Теория струн оказалась крепким орешком даже для самых высоколобых ученых. В 1970-е и 1980-е теория струн была очень популярна. За нее брались разные ученые, и в результате родилось несколько разновидностей.
Если наблюдать шланг с достаточно далекого 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 ученые сомневаются, заслуживает ли данная теория статуса научной, поскольку, по их мнению, она не является фальсифицируемой в попперовском смысле. Разумеется, это само по себе не является основанием считать теорию суперструн неверной. Многие новые теоретические конструкции проходят стадию неопределённости, прежде чем, на основании сопоставления с результатами экспериментов, признаются или отвергаются. Поэтому и в случае теории суперструн 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 [3] , 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; не исключено, что их вообще бесконечное число. В результате получается удручающая картина. Каков бы ни был наш мир, всегда найдется способ свести его к суперструнной теории. Таким образом, суперструнная теория не только не противоречит современным экспериментальным данным, но и не будет противоречить никакому эксперименту в обозримом будущем. Это означает, что теория суперструн близка к тому, чтобы потерять ключевое свойство научной теории — фальсифицируемость. В течение 2005 года неоднократно высказывались предположения [4] , что прогресс в этом направлении может быть связан с включением в эту картину антропного принципа: мы существуем именно в такой Вселенной, в которой наше существование возможно.
Вычислительные проблемы[ ] С математической точки зрения, ещё одна проблема состоит в том, что, как и квантовая теория поля , большая часть теории струн всё ещё формулируется пертурбативно в терминах теории возмущений. Несмотря на то, что непертурбативные методы достигли за последнее время значительного прогресса, полной непертурбативной формулировки теории до сих пор нет. Текущие исследования[ Изучение свойств чёрных дыр[ ] В 1996 г. В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определенного класса чёрных дыр , а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию. Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений , которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого.
Разумеется, практический успех — достаточное оправдание, чтобы принять это таинственное правило, но это не останавливает поисков физиками его объяснения. Струнная вселенная Изображение R. Этот результат опубликован в журнале Physics Letters. Как известно, теория струн была предложена в 1970-х годах для решения проблем квантовой гравитации и Стандартной модели. Успехи квантовой физики в описании трех негравитационных фундаментальных взаимодействий приводят физиков к мысли, что таким же образом может быть описано и гравитационное взаимодействие. Но, несмотря на активные исследования на протяжении многих десятилетий, квантовая теория гравитации до сих пор так и не создана. Вот уже четыре десятилетия физики работают в этом направлении.
Теория струн. Теория всего
Более того, в главе 13 мы увидим, что теория струн недавно позволила решить одну из центральных проблем черных дыр, связанную с так называемой энтропией Бекенштейна— Хокинга, задачу, которая более двадцати пяти лет упорно сопротивлялась решению более традиционными методами. Этот успех убедил многих в том, что теория струн дает глубочайшее понимание того, как устроена Вселенная. Используя метод проб и ошибок, можно было бы оценить мощь суперкомпьютера, но для того, чтобы достичь подлинного мастерства, потребовались бы энергичные и продолжительные усилия. Признаки мощи компьютера, как проблески способности теории струн давать объяснения, могут быть причиной очень сильной мотивации к овладению всем устройством. Замечание Виттена и схожие высказывания других специалистов в этой области указывают на то, что могут пройти десятилетия или даже столетия, прежде чем теория струн будет полностью разработана и осознана. Это вполне может оказаться правдой. В действительности математический аппарат теории струн столь сложен, что сегодня никто даже не знает точных уравнений этой теории. Вместо этого физики используют лишь приближенные варианты этих уравнений, и даже эти приближенные уравнения столь сложны, что пока поддаются только частичному решению. По всему миру физики разрабатывают новые мощные методы, далеко превосходящие использовавшиеся до сих пор многочисленные приближенные методы, коллективно собирая вместе разрозненные элементы головоломки теории струн с обнадеживающей скоростью.
Удивительно, но эти разработки дают новые средства для пересмотра некоторых основных положений теории, которые считались устоявшимися.
Что это? В мире физики существует одна теория, которая обещает объединить все фундаментальные силы природы и предложить нам новое понимание о строении Вселенной. Эта теория называется теорией струн. В этой статье мы рассмотрим основные принципы и идеи, лежащие в основе этой теории, а также ее возможные последствия для нашего понимания микромира. Теория струн представляет собой математическую модель, в которой основными объектами являются маленькие вибрирующие струны. По сути, эти струны являются основными строительными блоками всего существующего во Вселенной, их взаимодействия и движения определяют все физические явления. Особенность теории струн заключается в том, что она требует наличия дополнительных измерений пространства.
В то время, как мы обычно представляем себе только три пространственных измерения длина, ширина и высота , теория струн требует наличия дополнительных измерений, чтобы объяснить все фундаментальные взаимодействия. Эти дополнительные измерения могут быть свернуты в маленькие крошечные размерности, которые мы не можем наблюдать напрямую. Одной из ключевых идей теории струн является то, что различные физические частицы могут быть интерпретированы как различные режимы колебания струн. Таким образом, все частицы и силы природы могут быть объяснены как результат вибраций струн различной формы и энергии. Эта концепция позволяет нам объединить все фундаментальные частицы и взаимодействия в одну единую теорию. Главное преимущество теории струн является ее способность объединить общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику. Такая объединенная теория, называемая "теорией струн M-теории", может предложить нам новое понимание о том, как работает Вселенная на самом фундаментальном уровне. Однако, несмотря на все потенциальные преимущества и красоту теории струн, она также сталкивается с некоторыми трудностями.
Например, для полного понимания теории струн требуется наличие дополнительных измерений, которые мы не можем наблюдать напрямую. Кроме того, теория струн может иметь множество различных решений, что делает сложным выбор конкретной модели, соответствующей нашей Вселенной. Тем не менее, теория струн остается одной из самых обещающих идей в физике современности. Она предлагает новые возможности для объединения различных ветвей физики и может привести к новым открытиям и пониманию микромира. Многие ученые продолжают работать над развитием этой теории и надеются, что она приведет нас к новому пониманию основных законов природы. В заключение, теория струн представляет собой увлекательное направление физики, которое может изменить наше понимание о строении Вселенной.
Более того, у этих точек есть квантовые состояния, которые мы называем массой, зарядом и т. Но вы не можете многое сделать с этими точечными частицами. Это оказалось серьезным препятствием при формулировании взаимодействия между различными частицами.
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. 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.
Из Википедии — свободной энциклопедии
- Теория струн, Мультивселенная
- Частицы действительно выглядят как струны?
- Теория струн. Теория всего / Интересное / Статьи / Еще / Обо всем
- О чем теория струн? Самое простое и понятное объяснение – Физика
- Теория струн (теория всего). Кратко и понятно.
Что такое теория струн
Причина, по которой теория струн является потенциальной теорией всего, заключается в том, что она предсказывает, что все формы материи состоят из струн, и, следовательно, все на самом деле состоит из одного и того же «вещества». Будь то сила гравитации или электромагнитная сила, все это связано с вибрирующими струнами. В теории струн одно из многих колебательных состояний струны соответствует гравитону, квантовомеханической частице, которая несет гравитационную силу. Таким образом, можно сказать, что теория струн является теорией квантовой гравитации. Следует отметить, однако, что не было найдено никаких доказательств в поддержку теории струн.
Ни одно из предсказаний не было подтверждено ни экспериментом, ни наблюдением. Так что пока что это скорее математическая теория, чем физика.
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. 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. 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. 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? 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.
Преобразования Т-дуальности действуют в пространствах, в которых по крайней мере одна область имеет топологию окружности. Таким образом, меняя импульсные моды и винтовые моды струны, можно переключаться между крупным и мелким масштабом [46]. Другими словами связь теории типа IIA с теорией типа IIB означает, что их можно компактифицировать на окружность, а затем, поменяв винтовые и импульсные моды, а значит, и масштабы, можно увидеть, что теории поменялись местами. То же самое верно и для двух гетеротических теорий [47].
Благодаря этому оказывается возможным использовать теорию возмущений , которая справедлива для теорий с константой связи g много меньшей 1, по отношению к дуальным теориям с константой связи g много большей 1 [47]. Суперструнные теории связаны S-дуальностью следующим образом: суперструнная теория типа I S-дуальна гетеротической SO 32 теории, а теория типа IIB S-дуальна самой себе. U-дуальность Существует также симметрия, связывающая преобразования S-дуальности и T-дуальности. Она называется U-дуальностью и наиболее часто встречается в контексте так называемых U-дуальных групп симметрии в М-теории , определённых на конкретных топологических пространствах. U-дуальность представляет собой объединение в этих пространствах S-дуальности и T-дуальности, которые, как можно показать на D-бране , не коммутируют друг с другом [49]. Дополнительные измерения Интригующим предсказанием теории струн является многомерность Вселенной. Ни теория Максвелла , ни теории Эйнштейна не дают такого предсказания, поскольку предполагают число измерений заданным в теории относительности их четыре. Первым, кто добавил пятое измерение к эйнштейновским четырём, оказался немецкий математик Теодор Калуца 1919 год [50]. Обоснование ненаблюдаемости пятого измерения его компактности было предложено шведским физиком Оскаром Клейном в 1926 году [51]. Требование согласованности теории струн с релятивистской инвариантностью лоренц-инвариантностью налагает жёсткие требования на размерность пространства-времени, в котором она формулируется.
Теория бозонных струн может быть построена только в 26-мерном пространстве-времени, а суперструнные теории — в 10-мерном [16]. Поскольку мы, согласно специальной теории относительности , существуем в четырёхмерном пространстве-времени [52] [53] , необходимо объяснить, почему остальные дополнительные измерения оказываются ненаблюдаемыми. 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.
Это была настоящая революция в мире физики, так как все ранее открытые «ингредиенты Вселенной» электроны, протоны, нейтроны и пр. Струны более массивных частиц совершают более интенсивные колебания, а струны более легких частиц колеблются менее интенсивно. В конечном итоге колебания на определенной частоте определяют свойства струн: массу и электрический заряд, что позволяет отнести их к определенной разновидности фундаментальных частиц, будь то кварк, фотон, глюон и др.
Уровни строения мира. Макроскопический — вещество. Атомный — протоны, нейтроны и электроны. Субатомный — электрон. Субатомный — кварки.
Струнный Предположения и прогнозы Теория основана на двух предположениях: Основными строительными блоками Вселенной будут не точечные частицы, а разновидности вибрирующих шнуров с натяжением , подобных резиновой ленте. То, что мы воспринимаем как частицы с разными характеристиками массой , электрическим зарядом и т. Таким образом, разные типы струн, колеблющиеся с разной частотой, лежат в основе всех элементарных частиц нашей Вселенной. С этой гипотезой теоретики струн допускают минимальный масштаб, связанный с размером Планка , и, таким образом, легко избегают появления определенных бесконечных величин «расходимостей» , которые неизбежны в обычных квантовых теориях поля. Вселенная будет содержать более трех пространственных измерений.
Некоторые из них, свернутые сами по себе теории Калуцы — Клейна , остаются незамеченными на наших шкалах с помощью процедуры, называемой размерной редукцией. Исходя из этих предположений, теория струн предсказывает, что: Гравитон , бозон то есть посредник от силы тяжести , будет частицей спины 2 и нулевой массы в соответствии с квантовой физикой. Его струна имеет нулевую амплитуду волны. Общие концепции теорий Бранес -Брана , или , точнее , р-браны, является расширенным объектом в теории струн. Р это число пространственных измерений , в которых -брана расширяется.
К этому числу необходимо добавить временное измерение, чтобы получить общее количество измерений. Например, 1-брана — это брана только с одним пространственным измерением, но всего с двумя измерениями. Следовательно, они соответствуют поверхностям вселенной. Несколько космологических моделей возникло в результате введения бран в теорию струн. Общая идея бранарной космологии состоит в том, что наша Вселенная ограничена 4-браной.
Это означает, что частицы материи кварки , электроны и т. И фундаментальные взаимодействия, отличные от гравитации переносимые частицами, такими как фотон , глюон и т. Также в рамках модели Большого взрыва недавно была предложена идея, как альтернатива космической инфляции, описывающая самые первые моменты истории Вселенной , экпиротическая модель. В этой модели начальное расширение происходит из-за столкновения браны и антибраны, которая высвобождает энергию, необходимую для расширения Вселенной. Эта модель предсказывает возможность других столкновений, которые приведут к другим Большим взрывам.
Тем не менее, это не вызывает единодушия в сообществе космологов, и космическая инфляция остается механизмом, который в основном рассматривается для описания первых моментов. Дополнительные размеры Пример пространства Калаби-Яу. Согласно теории струн, наш мир, пространство которого кажется трехмерным, будет состоять не из четырех измерений пространства-времени три измерения пространства и одно время , а из 10, 11 или даже 26 измерений.
Квантовая теория струн
Вместо теории струн со всеми десятью пространственно-временными измерениями или знакомой нам Вселенной с четырьмя протяжёнными измерениями снова рассмотрим вселенную Садового шланга. В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно. В теории струн каждая струна колеблется так же, в зависимости от влияющих на нее факторов. Сравнительно недавно появился подход, дающий возможность разрешить это противоречие — теория струн. одна из наиболее восхитительных и глубоких теорий в современной теоретической физике. Просто о сложном_ структура Вселенной, квантовая физика, теория относительности.
Теория струн. Теория всего
Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано[7], связанных со струнными моделями строения адронов. Теория струн кратко и струн — это одна из революционных и самых противоречивых теорий в физике, целью которой является объединение всех частиц и фундаментальных сил природы в единую тео. 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. 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.
Из Википедии — свободной энциклопедии
- Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи
- Теория струн простым языком
- Обнаружено новое доказательство теории струн — Странная планета
- Популярные материалы
- Обнаружено новое доказательство теории струн — Странная планета
- Теория струн, Мультивселенная
Краткая история теории струн
| Ответы : Объясните кратко, понятно что такое Теория Струн? | Не так давно физический мир облетела новость: знаменитая теория струн несовместима с существованием тёмной энергии, какой её себе представляет большинство космологов. |
| Теория струн — Википедия с видео // WIKI 2 | Причина, по которой теория струн является потенциальной теорией всего, заключается в том, что она предсказывает, что все формы материи состоят из струн, и, следовательно, все на самом деле состоит из одного и того же «вещества». |
| Теория струн простым языком | Теория струн предположительно решает эту проблему и стремится описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации. |
| Теория струн на пальцах: что стоит за самой неоднозначной теорией мироздания - | Как известно, теория струн была предложена в 1970-х годах для решения проблем квантовой гравитации и Стандартной модели. |
| Теория струн простым языком - | Важнейшее значение теории струн для физиков, если излагать кратко: она претендует на роль «теории всего», то есть может объединить в одно целое все физические аспекты существования Вселенной. |
Теория струн, Мультивселенная
Теория струн — это теория о том, что фундаментальными составляющими Вселенной являются одномерные "струны", а не точечные частицы (как это принято наукой). Зачем физики ищут симметрию между элементарными частицами, и почему для работы теории струн нужно двадцать шесть измерений. Comments Off on Теория струн кратко и понятно.