Теория струн, обобщение квантовой теории поля (КТП), связанное с ослаблением требований локальности и перенормируемости, открывшее возможность. Объединить эти два подхода призвана теория струн. Кратко и понятно объяснить ее можно, используя аналогии в повседневной жизни. Зачем физики ищут симметрию между элементарными частицами, и почему для работы теории струн нужно двадцать шесть измерений.
Популярно о теории струн
Теория струн может и не станет теорией всего, но это хотя бы теория чего-то. Квантовая теория струн – это фундаментальная теория, которая стремится объединить квантовую механику и общую теорию относительности. 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. Главное преимущество теории струн является ее способность объединить общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику. Теория струн кратко и понятно. Видео от пользователя. Теория струн гласит, что неделимые субатомные частицы состоят из крошечных маленьких струн, вибрирующих по определенной схеме.
Теория суперструн популярным языком для чайников
В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. Теория струн в принципе может нам это объяснить, и вывести параметры элементарных частиц и их взаимодействий через фундаментальные физические константы типа скорости света или постоянной Планка. Не так давно физический мир облетела новость: знаменитая теория струн несовместима с существованием тёмной энергии, какой её себе представляет большинство космологов. Теория струн основана на гипотезе[5] о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10−35 м. Заметьте, что теория струн совсем не противоречит, а скорее дополняет Стандартную модель, в основу которой заложена теория строения атома Бора, критикуемая в начале этой статьи. Теория струн предположительно решает эту проблему и стремится описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации.
Квантовая теория струн
Суперсимметрия, под которой понимается связь между двумя классами элементарных частиц — фермионами и бозонами. Объединение сил. Идея о струнах объединяет принципы теории относительности и квантовой механики, которые формулируют основы устройства Вселенной. Открытые и закрытые струны, взаимодействующие между собой.
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. Именно она позволяет объяснять самые сложные явления — например, черные дыры.
Но вы не можете многое сделать с этими точечными частицами. Это оказалось серьезным препятствием при формулировании взаимодействия между различными частицами.
Если передняя звезда окажется супермассивным объектом, который будет очень сильно искривлять пространство вокруг себя, то изображение той звезды, что находится позади, просто напросто обогнет сверхмассивную звезду по искривлению и мы увидим картинку, о которой говорилось в самом начале.
Подробнее вы можете рассмотреть сказанное на рис. Квантовая физика намного сложнее для обычного человека, нежели ТО. Если обобщить все ее положения, то получится следующее: микрообъекты существуют только тогда, когда мы смотрим на них. Кроме того, физика квантов говорит также о том, что, если разорвать микрочастицу на две части, то эти две части будут продолжать вертеться по своей оси в одном и том же направлении. А также любые воздействия на первую частицу несомненно передадутся и второй, причем мгновенно и совершенно независимо от удаленности этих частиц. Так в чем же сложность по совмещению понятий двух этих теорий?
По теории квантовой физики микромир совершенно неровный, имеет вездесущие шероховатости. Это если говорить обыденным языком. А математики и физики вовлекли свои теории в формулы. И вот, когда формулы квантовой физики и ОТО попытались соединить, то в ответе получилась бесконечность.
При помощи сложного математического механизма эти колебания можно связать с энергией, а значит и с массой, другими словами любая частица возникает в результате того или иного типа колебания квантовой струны.
Читайте также: Находка в Арктике перевернула представление об истории с ног на голову Проблемы и особенности Как и любая неподтвержденная теория, теория струн имеет ряд проблем, которые говорят о том, что она требует доработки. В число этих проблем входит, к примеру, таковая — в результате вычислений математически был новый тип частиц, которые не могут существовать в природе — тахионы, квадрат массы которых меньше нуля, а скорость перемещения превышает скорость света. Другой же важной проблемой, или скорее особенностью есть существование теории струн лишь в 10-мерном пространстве. Почему же мы воспринимаем другие измерения?
Теория струн и квантовая механика
Поделиться 0 Поделиться 0 Твитнуть 0 Мы рассказывали про Стандартную модель , основную теорию, описывающую поведение микроскопических частиц. У нее есть ряд очевидных проблем, которые побуждают физиков предлагать различные альтернативные теории. До сих пор ни одна из моделей «новой физики» не нашла экспериментального подтверждения, но ученые не теряют надежды: предложенная в 60-х годах XX века теория струн до сих пор не потеряла своей актуальности и в перспективе сможет изменить наш взгляд на мир. Из чего сделаны частицы? Увидеть частицы напрямую ученым вряд ли когда-то удастся. Ни один, даже самый мощный микроскоп в мире не позволит увидеть хотя бы атом. Чтобы изучать структуру частиц, был придуман особый способ: «бомбардировать» объект другими, более мелкими частицами, и изучать, каким образом они разлетаются в разные стороны. Вы можете проделать такой эксперимент дома: взять два предмета, например, коробку и кастрюлю.
И покидать в них небольшой резиновый шарик. Шарик будет по-разному отскакивать от ровных стенок коробки и скругленных стенок кастрюли — наших экспериментальных объектов. Немного тренировок — и только по тому, куда отлетает шарик, вы скажете, что именно за предмет сейчас подвергается бомбардировке, даже если не будете на него смотреть. Ученые накопили достаточно статистики, чтобы успешно применять этот принцип.
Главным успехом является гармоничный союз общей теории относительности и квантовой механики. Далее, в отличие от всех предшествующих теорий, теория струн отвечает на основополагающие вопросы, относящиеся к наиболее фундаментальным составным частям и взаимодействиям в природе. Не менее важным, хотя это труднее передать, является замечательное изящество как ответов, которые дает теория, так и самой теоретической основы, позволяющей получать эти ответы. Например, в теории струн многие аспекты мироздания, которые могут показаться произвольными техническими деталями, такие, как число независимых фундаментальных частиц и их свойства, являются следствием неотъемлемых характеристик геометрии Вселенной. Если теория струн справедлива, микроскопическая структура нашей Вселенной представляет собой сложно переплетенный, многомерный лабиринт, в котором струны Вселенной бесконечно закручиваются и вибрируют, ритмично отбивая законы космоса. Свойства основных кирпичиков мироздания, — будучи совсем не случайными, — глубоко связаны со структурой пространства и времени.
В конечном счете, однако, ничто не может заменить четко определенных, поддающихся проверке предсказаний, которые смогут показать, действительно ли теория струн в состоянии поднять завесу тайны, скрывающую глубочайшие истины нашей Вселенной. Может пройти некоторое время, прежде чем наш уровень понимания достигнет глубины, достаточной для достижения этой цели, хотя, как будет показано в главе 9, экспериментальные проверки могут дать сильную и всестороннюю поддержку теории струн в течение ближайшего десятилетия. 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.
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]. В течение 2005 года неоднократно высказывались предположения [59] , что прогресс в этом направлении может быть связан с включением в эту картину антропного принципа [60] : человек существует именно в такой Вселенной, в которой его 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 [61]. Несмотря на то, что непертурбативные методы достигли за последнее время значительного прогресса, полной непертурбативной формулировки теории до сих пор нет. Данный результат, по всей видимости, заставит пересмотреть внешние параметры струнных теорий [63] [64] [65]. Текущие исследования Изучение свойств чёрных дыр В 1996 г. В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определённого класса чёрных дыр [66] , а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию. Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений , которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого. Реальным процессам образования чёрных дыр Строминджер и Вафа противопоставили конструктивный подход [2]. Суть в том, что они изменили точку зрения на образование чёрных дыр, показав, что их можно конструировать путём кропотливой сборки в один механизм точного набора бран , открытых во время второй суперструнной революции. Строминджер и Вафа смогли вычислить число перестановок микроскопических компонентов чёрной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, например масса и заряд , остаются неизменными. Тогда энтропия этого состояния по определению равна логарифму полученного числа — числа возможных микросостояний термодинамической системы. Затем они сравнили результат с площадью горизонта событий чёрной дыры — эта площадь пропорциональна энтропии чёрной дыры, как предсказано Бекенштейном и Хокингом на основе классического понимания [2] , — и получили идеальное согласие [67]. По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии.
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. Она предлагает объединение всех фундаментальных сил и частиц в одну единую теорию и открывает новые возможности для изучения микромира. Несмотря на некоторые сложности, теория струн продолжает привлекать внимание исследователей и может привести к новым открытиям, которые изменят наше представление о физике. Где почитать о теории струн? Научно-популярная Вайнберг С. Мечты об окончательной теории: физика в поисках самых фундаментальных законов природы: Пер. Теории струн посвящена 9-я глава «Контуры окончательной теории». Грин Б. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории : Пер. Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности. The Fabric of the Cosmos. Малышенко, А. Панова ; перевод Б. Митио Каку. Параллельные миры. Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса: Пер.
Что такое теория струн простыми словами (насколько это возможно)?
В теории струн каждая струна колеблется так же, в зависимости от влияющих на нее факторов. Теория струн гласит, что неделимые субатомные частицы состоят из крошечных маленьких струн, вибрирующих по определенной схеме. Теория струн, вероятно, это одна из самых интригующих гипотез в мире науки. Теория струн — это теория о том, что фундаментальными составляющими Вселенной являются одномерные "струны", а не точечные частицы (как это принято наукой). Так, начал вырисовываться фундаментальный физический принцип, получивший прекрасное название Теория всего или Теория струн, которая стала воплощением мечты всех физиков по объединению двух противоречащих друг другу ОТО и квантовой механики.
Симфония вселенной: теория струн для начинающих
Наиболее перспективной из них сегодня является струнная. Замкнутые нити соответствуют поведению силы тяжести. В частности, они обладают свойствами гравитона, частицы, переносящей гравитацию между объектами. Объединение сил Теория струн пытается объединить четыре силы — электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию — в одну. В нашем мире они проявляют себя как четыре различные явления, но струнные теоретики считают, что в ранней Вселенной, когда были невероятно высокие уровни энергии, все эти силы описываются струнами, взаимодействующими друг с другом. Суперсимметрия Все частицы во вселенной можно разделить на два типа: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между ними существует связь, называемая суперсимметрией. При суперсимметрии для каждого бозона должен существовать фермион и для каждого фермиона — бозон. К сожалению, экспериментально существование таких частиц не подтверждено.
Суперсимметрия является математической зависимостью между элементами физических уравнений. Она была обнаружена в другой области физики, а ее применение привело к переименованию в теорию суперсимметричных струн или теория суперструн, популярным языком в середине 1970 годов. Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. Без суперсимметрии уравнения приводят к физическим противоречиям, таким как бесконечные значения и воображаемые энергетические уровни. Поскольку ученые не наблюдали частицы, предсказанные суперсимметрией, она все еще является гипотезой. Эти частицы могли существовать в ранней вселенной, но так как она остыла, и после Большого взрыва энергия распространилась, эти частицы перешли на низкоэнергетические уровни. Другими словами, струны, вибрировавшие как высокоэнергетические частицы, утратили энергию, что превратило их в элементы с более низкой вибрацией. Ученые надеются, что астрономические наблюдения или эксперименты с ускорителями частиц подтвердят теорию, выявив некоторые из суперсимметричных элементов с более высокой энергией.
Дополнительные измерения Другим математическим следствием теории струн является то, что она имеет смысл в мире, число измерений которого больше трех. В настоящее время этому существует два объяснения: Дополнительные измерения шесть из них свернулись, или, в терминологии теории струн, компактифицировались до невероятно малых размеров, воспринять которые никогда не удастся. Мы застряли в 3-мерной бране, а другие измерения простираются вне ее и для нас недоступны. Важным направлением исследований среди теоретиков является математическое моделирование того, как эти дополнительные координаты могут быть связаны с нашими. Последние результаты предсказывают, что ученые в скором времени смогут обнаружить эти дополнительные измерения если они существуют в предстоящих экспериментах, так как они могут быть больше, чем ожидалось ранее. Понимание цели Цель, к которой стремятся ученые, исследуя суперструны — «теория всего», т. В случае успеха она могла бы прояснить многие вопросы строения нашей вселенной. Объяснение материи и массы Одна из основных задач современных исследований — поиск решения для реальных частиц.
Теория струн начиналась как концепция, описывающая такие частицы, как адроны, различными высшими колебательными состояниями струны. В большинстве современных формулировок, материя, наблюдаемая в нашей вселенной, является результатом колебаний струн и бран с наименьшей энергией. Вибрации с большей порождают высокоэнергичные частицы, которые в настоящее время в нашем мире не существуют.
Теория струн Стандартная модель представляет фундаментальные частицы как точечные объекты. 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.
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. На их поверхности крепятся конечные точки открытой струны в тот момент, когда она проходит сквозь пространство.
Габриэлле Венециано работал над созданием ускорительной установки и пытался выдвинуть различные предположения относительно существования законов Вселенной.
Взглянув на старую формулу, ученый осознал, что она способна объяснить все многочисленные свойства частиц, которые участвуют в сильном ядерном взаимодействии. Однако разгадать, почему происходит такое взаимодействие и укладывается в рассчитанную формулу он не смог. Через несколько лет ряд американских ученых смогли выявить закономерности, которые стояли за формулой Эйлера все это время. Оказалось, что при представлении элементарных частиц маленькими колеблющимися одномерными струнами идет сильное взаимодействие этих частиц, что в точности описывается с помощью функции Эйлера.
Исследователи предположили, что раз отрезки струн являются достаточно малыми, то они смогут выглядеть точечными частицами, и не будут противоречить результатам экспериментальных наблюдений. Однако через короткое время и эти предположения не смогли полностью объяснить всех происходящих процессов, поскольку выяснились дополнительные несостыковки. Эта формула нуждалась в дополнительном объяснении. Через некоторое время даже пришлось забыть о перспективной теории струн, так как возникали новые предпосылки в квантовой хромодинамики.
В ней использовалась точечная модель частиц. Позже часть ученых не смогла полностью отказаться от теории струн, и были найдены отдельные конфигурации колеблющихся струн.