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. Та материя, сутью которой являются струны, составляет только 5% массы Вселенной — ее видимая часть.
Что такое теория струн простыми словами (насколько это возможно)?
Теория струн пытается объединить четыре силы – электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию – в одну. В своей основе Теория струн отрицает теорию Большого взрыва и утверждает, что Вселенная существовала всегда. Теория струн воплощает мечту всех физиков по объединению двух, в корне противоречащих друг другу ОТО и квантовой механики, мечту, которая до конца дней не давала покоя величайшему «цыгану и бродяге» Альберту Эйнштейну. Теория струн возникла в середине 1970-х годов в результате развития струнной модели строения адронов.
Теория струн для чайников
Теория суперструн Раньше мы считали, что строительными блоками жизни являются атомы, мельчайшие компоненты материи. Но затем мы столкнули атомы и обнаружили элементарные частицы, настолько мелкие составляющие, что даже не можем их разглядеть, не изменив определенным образом. Чтобы увидеть что-то, нам нужно, чтобы свет сперва отразился от объекта и попал в наши глаза, составив картинку. Свет состоит из электромагнитных волн, которые свободно проходят через элементарные частицы.
Мы можем сделать эти волны плотнее, добавить им энергии, чтобы они ударили частицы и мы могли увидеть их, но как только частицу что-то бьет, она меняется, поэтому увидеть ее в исходном состоянии мы не можем. Мы понятия не имеет, как выглядят элементарные частицы. Как и темную энергию, темную материю, мы не можем наблюдать эти явления непосредственно, но у нас есть основания полагать, что они существуют.
Мы рассматриваем эти частицы как точки в пространстве, хотя на самом деле они таковым не являются. Несмотря на все недостатки, этот метод — идея квантовой механики о том, что силы переносятся частицами — дает нам неплохое представление о вселенной и приводит к прорывам вроде квантовых растворителей и поездов на магнитной левитации. Общая теория относительности сама по себе тоже прошла хорошую проверку временем, объясняя нейтронные звезды и аномалии орбиты Меркурия, предсказывая черные дыры и искривление света.
Но уравнения ОТО, к сожалению, перестают работать в центре черной дыры и в преддверии Большого Взрыва. Проблема в том, что свести их вместе не получается, потому что гравитация связана с геометрией пространства и временем, когда расстояния измеряются точно, а в квантовом мире измерить что-то нет никакой возможности. Когда ученые попытались изобрести новую частицу, которая поженила бы гравитацию с квантовой механикой, их математика просто дала сбой.
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. Они напоминали свойства глюонов. Это давало возможность предположить, что существует теория сильного взаимодействия.
В 70-е годы прошлого века европейские ученые смогли сделать громкое предположение, что превращало недостаток и пробел в квантовой теории струн в достоинство. Они изучили странные моды колебаний струн, которые напоминали частицы-переносчики.
Свет почему то имеет постоянную скорость независимо от источника, наблюдателя... При этом идея того что вакуум ни хрена не пуст отрицается и даже высмеивается. И вот теперь струны... Вернее энергия первична, а материя вторична. Десять измерений которые куда то мелко свернуты... Ребята, по моему ваша математика окончательно оторвалась от реальности. Пора вводить новый термин: научная сингулярность.
Давайте устроим себе разминку для ума и попробуем представить хотя бы два времени. После нескольких страниц мозговыносящего текста устраивать разминку для ума будет сложно, понимаю, но это интересно. Оба временных измерения должны существовать отдельно друг от друга. Таким образом, если поменять положение объекта в одной из размерностей, его координаты в другой вполне могут остаться неизменными. То есть, если одно временное измерение пересечется с другим в определенной точке, то время в ней остановится вовсе. Наглядную картину этого показывает нам Нео из матрицы: По сути наш избранный просто поставил временную ось своей ладони перпендикулярно такой же оси летящих пуль.
И все, время остановилось. На деле же все не так просто. Как вообще будет идти время в такой Вселенной? Исходя из логики, хотя, говоря о Теории Всего логику вообще лучше не упоминать, одно событие должно происходить два раза… одновременно… в разных точках пространства и времени… не пересекаясь… Да, это сложно. Вы все еще можете пойти поиграть в Dark Souls на банане. Если по-простому, то вы будете жить одновременно в двух отрезках времени на этом строится вся суть фильма «Господин Никто», о котором я упоминал в начале.
Как вообще 2D-пространство отличается от одномерного? 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.
Что такое теория струн простыми словами (насколько это возможно)?
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. Бесконечность в физике равносильна утверждению, что уравнение построено неправильно.
В качестве решения проблемы структуры частиц в середине прошлого века была предложена теория струн. В ней все частицы состоят из мельчайших «петель» — струн размером всего лишь 10-33 см. В настоящий момент указаний на существование струн получено не было, но это легко объяснить: современные технические возможности просто не позволяют исследовать столь малые объекты. Что, собственно, физики уже давно и с успехом наблюдают. Как по нотам Петли, составляющие частицы, не просто парят в пространстве.
В теории струн они колеблются, причем множеством различных способов. В игре на гитаре в зависимости от толщины и длины струны последнюю мы регулируем, зажимая пальцами музыкант воспроизводит разные ноты. Разные колебания микрострун, в свою очередь, соответствуют разным частицам. Таким образом теория струн даёт единый способ описания всех видов материи. Почему теория струн нравится физикам Замена частиц на соответствующие им струны приводит к некоторым крайне важным следствиям. Изучив свойства колеблющейся петли, ученые пришли к выводу, что они удивительно схожи с характеристиками гравитона — на данный момент не открытой частицы, которой отводится роль переносчика гравитации. Теория струн, имеет все шансы разрешить главный спор в физике XX века — включить гравитационное взаимодействие в Стандартную модель.
Изучив свойства колеблющейся петли, ученые пришли к выводу, что они удивительно схожи с характеристиками гравитона — на данный момент не открытой частицы, которой отводится роль переносчика гравитации. Теория струн, имеет все шансы разрешить главный спор в физике XX века — включить гравитационное взаимодействие в Стандартную модель. Длина, ширина, высота Ни для кого не секрет, что мы живем в трехмерном мире — у каждого объекта есть длина, ширина и высота.
К трем измерениям добавляется еще четвертое — время. Со временем ученые выяснили, что теория струн «работает» только в пространстве с десятью или одиннадцатью измерениями. Они предполагают, что шесть или семь из них имеют очень малые размеры, порядка самой частицы, и на практике не наблюдаются.
Впоследствии была даже придумана геометрическая форма сжатых измерений: физики предполагают, что они похожи на клубок спутанной пряжи. Из-за малых размеров мы просто не замечаем движения в них. Это все хорошо, но… У теории струн есть один основной недостаток — она еще не описана математически.
Существует не один, не два, а целых шесть разных вариантов, но ученые до сих пор не смогли объяснить, как именно должна «работать» струнная квантовая гравитация и как в таком случае возникла вся Вселенная. Это задача для будущих поколений, ведь вера в теорию струн по-прежнему сильна. Если, конечно, физики не сменят свои предпочтения и не решат перейти к более интересным объектам.
Назовем их Федор и Вадим. Мы с вами видим их такими: Однако Федор и Вадим существуют в 2D-пространстве, поэтому они видят друг друга так: А теперь нарисуем Федора сверху: Как теперь Вадим будет видеть своего товарища? Вот так: Из этого следует, что, как ни крути, эти ребята будут видеть друг друга как одномерные отрезки, но мы то с вами знаем, что оба они двумерны. Вы и так уже наверняка догадались, почему. Все из-за точки обзора. Мы с вами видим Федора как объект, имеющий длину и ширину, а Вадим недоумевает и говорит, что мы свихнулись, и перед нами простой отрезок с одним единственным измерением. Тот факт, что Вадим живет на плоскости, попросту не позволяет ему даже представить, как по-настоящему выглядят объекты в его мире. И я уже не говорю о том, как сильно будет болеть его плоский мозг, пытаясь представить трехмерное изображение.
А сейчас попытайтесь представить, что в спокойную двуразмерную жизнь Федора и Вадима резко врывается некий 3D-объект, пересекающий их плоскость. Каким образом вы увидите это со стороны? Двумерные проекции сразу же изменятся и это будет похоже на брокколи в МРТ: Что в этот момент будет с нашими героями? Сказать, что они очень удивятся такому развитию событий, ничего не сказать. Такого они даже представить себе не смогут. Для них везде начнут появляться отрезки, которые будут резко менять свою длину и положение. Вычислить длину или координаты этих объектов в двумерном мире будет просто невозможно. Надеюсь, теперь вы немного въехали в то, что я пытаюсь вам здесь втереть.
Мы живем в трехмерном мире и видим все объекты двумерными. Лишь тот факт, что они или мы перемещаемся в пространстве, позволяет нам говорить о том, что у всего есть объем. А теперь представьте, что в наш мир вторглось какое-то пятимерное существо. Не ломайте голову, все равно у вас ничего не получится. Вы будете видеть его таким же двумерным, но с очень и очень странными свойствами. Потому что вместе с его перемещением в пространстве и времени вы не только обнаружите его объем, но и другие свойства, которые, плюс ко всему, будут постоянно меняться. Сейчас вернемся к теории струн и попробуем вообразить себе объект, имеющий 10 измерений. Шучу, не будем мы это делать.
Потому что, думаю, уже и так всем понятно, что это бессмысленно и бесполезно. Этот объект по сути должен существовать везде и нигде, всегда и никогда. Наш мозг попросту не способен этого представить. Нечто подобное было описано в одном псевдонаучном фантастическом фильме под названием «Господин Никто». Там также затрагивается теория струн, и в очень киношной форме представляется то, каково это, жить сразу во всех десяти измерениях. В общем и целом, кино нудное, местами непонятное и не для всех. Но для базового, немного упрощенного и приукрашенного ознакомления с теорией струн сойдет. Все же знакомы со схематическими изображениями, на которых массивные небесные тела искривляют пространство вокруг себя под действием гравитации?
Так вот искривляется не только пространство, но и время. Это сильно влияет на то, как идет время в космосе , можете почитать. Но сейчас не об этом. Сейчас вопрос стоит в том, куда именно гравитация искривляет пространство-время? Ответа на этот вопрос мы дать не можем, так как ни одним из существующих измерений описать этот процесс невозможно. Время С трехмерным пространством более ли менее разобрались, но не будем забывать и про время — четвертое измерение. Ведь нам же мало знать, «где». Для жизни в нашем мире обязательно нужно еще и «когда».
Так как время — это тоже координата, то всю временную линию можно описать как луч. Вспоминайте школьный курс математики, что такое луч? Это линия, имеющая начало, но не имеющая конца. Время движется только вперед, и никак иначе. Реально лишь настоящее, и ни будущего, ни прошлого по сути вообще не существует. Однако теория относительности может с этим поспорить.
Теория струн, Мультивселенная
Эти достижения убедили многих физиков, что теория струн способна выполнить свои обещания и стать окончательной объединяющей теорией. А теория струн может объединить эти две теории, например если сказать что световая волна это и есть струна с набором гармоник, которая и соответствует фотону. 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. 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. 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.
Космический эксперимент поставил под сомнение теорию струн
Как по нотам Петли, составляющие частицы, не просто парят в пространстве. В теории струн они колеблются, причем множеством различных способов. В игре на гитаре в зависимости от толщины и длины струны последнюю мы регулируем, зажимая пальцами музыкант воспроизводит разные ноты. Разные колебания микрострун, в свою очередь, соответствуют разным частицам. Таким образом теория струн даёт единый способ описания всех видов материи. Почему теория струн нравится физикам Замена частиц на соответствующие им струны приводит к некоторым крайне важным следствиям. Изучив свойства колеблющейся петли, ученые пришли к выводу, что они удивительно схожи с характеристиками гравитона — на данный момент не открытой частицы, которой отводится роль переносчика гравитации. Теория струн, имеет все шансы разрешить главный спор в физике XX века — включить гравитационное взаимодействие в Стандартную модель.
Длина, ширина, высота Ни для кого не секрет, что мы живем в трехмерном мире — у каждого объекта есть длина, ширина и высота. К трем измерениям добавляется еще четвертое — время. Со временем ученые выяснили, что теория струн «работает» только в пространстве с десятью или одиннадцатью измерениями. Они предполагают, что шесть или семь из них имеют очень малые размеры, порядка самой частицы, и на практике не наблюдаются.
Если поставить рядом с ней еще одну точку и провести линию, то можно создать модель первого измерения. Для создания полноценного двумерного пространства надо уместить оба эти объекта в выбранные координаты. А для создания трехмерности потребуется присоединить к этой системе третью ось координат и так далее. Замечание 2 Пока все измерения и теоретические результаты никак не могут быть подтверждены и содержатся только на бумаге в форме анализов и промежуточных математических моделей. Исследователи не могут объяснить, почему человек в объективном мире может перемещаться только через три известных измерения, а остальные остаются недоступными.
На квантовом уровне они представляют собой некие математические модели, выполненные в форме сфер. Всего таких вариантов моделей может быть сотни миллионов и пока не удалось просчитать, как выглядит наиболее вероятная схема теории струн. Есть вероятность, что этой структуры человек не сможет понять никогда, даже на теоретическом квантовом уровне. История создания теории струн Замечание 3 Первыми предпосылками к созданию новой современной теории, объясняющий все великое разнообразие взаимодействий в объективном мире, стали труды математика, жившего двести лет назад. Тогда Леонард Эйлер сформулировал в математических целях бета-функцию, названную в его честь. На нее обратил пристальное внимание физик-теоретик, который работал в середине прошлого века в научном центре в Швейцарии.
Они свободно отделяются от бранов и плавно перетекают в другие измерения; На бранах локализованных также электромагнитные, ядерные и слабые взаимодействия; Наиболее важной разновидностью являются D-браны. На их поверхности крепятся конечные точки открытой струны в тот момент, когда она проходит сквозь пространство. Критические замечания Как и всякая научная революция, эта пробивается сквозь тернии непонимания и критики со стороны адептов традиционных взглядов. Среди наиболее часто высказываемых замечаний: Введение дополнительных измерений пространства-времени создает гипотетическую возможность существования огромного количества вселенных. По словам математика Питера Вольта, это приводит к невозможности предсказания любых процессов или явлений. Всякий эксперимент запускает большое количество различных сценариев, которые могут быть интерпретированы различными способами; Отсутствует возможность подтверждения. Современный уровень развития техники не позволяет экспериментально подтвердить или опровергнуть кабинетные исследования; Последние наблюдения за астрономическими объектами не волне укладываются в положения теории, что заставляет ученых пересматривать некоторые свои выводы; Ряд физиков высказывают мнение, что концепция является спекулятивной и тормозит развитие других фундаментальных представлений. Пожалуй, легче доказать теорему Ферма, чем простыми словами разъяснить положения теории струн. Математический аппарат ее столь обширен, что понять ее под силу лишь маститым ученым из крупнейших НИИ. До сих пор не ясно, найдут ли реальное применение сделанные за последние десятки лет на кончике пера открытия.
На этот вопрос Стандартная модель ответа не имеет и предпочитает сильно не задумываться. На самом деле есть всего два варианта: либо вещество можно бесконечно делить на мелкие составляющие что маловероятно , либо мы рано или поздно должны дойти до каких-то минимальных объектов, которые образуют все остальные. В качестве решения проблемы структуры частиц в середине прошлого века была предложена теория струн. В ней все частицы состоят из мельчайших «петель» — струн размером всего лишь 10-33 см. В настоящий момент указаний на существование струн получено не было, но это легко объяснить: современные технические возможности просто не позволяют исследовать столь малые объекты. Что, собственно, физики уже давно и с успехом наблюдают. Как по нотам Петли, составляющие частицы, не просто парят в пространстве. В теории струн они колеблются, причем множеством различных способов. В игре на гитаре в зависимости от толщины и длины струны последнюю мы регулируем, зажимая пальцами музыкант воспроизводит разные ноты. Разные колебания микрострун, в свою очередь, соответствуют разным частицам. Таким образом теория струн даёт единый способ описания всех видов материи. Почему теория струн нравится физикам Замена частиц на соответствующие им струны приводит к некоторым крайне важным следствиям.
Мы заколебались: объясняем простым языком теорию струн
| Теория струн для чайников | Квантовая теория струн – это фундаментальная теория, которая стремится объединить квантовую механику и общую теорию относительности. |
| Теория струн, Мультивселенная | Если традиционно физики пытались обосновать теорию струн с помощью квантовой мезаники, Барс и Рычков исходили из того, что теория струн верна, и, исходя из постулатов этой теории, вывели принцип неопределенности. |
| Теория суперструн популярным языком для чайников | В теории струн каждая струна колеблется так же, в зависимости от влияющих на нее факторов. |
| Теория струн. Большая российская энциклопедия | Действительно, теория струн способна объединить квантовую теорию и гравитацию, но сделать это, как оказалось, можно пятью способами. |
| Теория струн простым языком | Теория струн кратко и понятно. В начале XX века учёные, благодаря классической физике, считали, что поняли, как устроен мир. |
Что такое теория струн?
Исследователи не могут объяснить, почему человек в объективном мире может перемещаться только через три известных измерения, а остальные остаются недоступными. На квантовом уровне они представляют собой некие математические модели, выполненные в форме сфер. Всего таких вариантов моделей может быть сотни миллионов и пока не удалось просчитать, как выглядит наиболее вероятная схема теории струн. Есть вероятность, что этой структуры человек не сможет понять никогда, даже на теоретическом квантовом уровне. История создания теории струн Замечание 3 Первыми предпосылками к созданию новой современной теории, объясняющий все великое разнообразие взаимодействий в объективном мире, стали труды математика, жившего двести лет назад. Тогда Леонард Эйлер сформулировал в математических целях бета-функцию, названную в его честь. На нее обратил пристальное внимание физик-теоретик, который работал в середине прошлого века в научном центре в Швейцарии. 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.
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. Без этих дополнительных измерений теория рушится. Действительно, физическая когерентность волновая функция, дающая неотрицательные вероятности требует наличия дополнительных. Причина, по которой они остаются невидимыми, заключается в том, что они будут свернуты в процессе уменьшения размеров в микроскопическом масштабе в миллиарды раз меньше атома , что не позволит нам их обнаружить. В самом деле, если мы представим себе кабель, видимый издалека, он представляет собой только прямую линию без толщины, одномерный объект.
При этом и струнная программа объединения взаимодействий не утратила своей актуальности. Стало отчетливо понятно, что эта программа на самом деле является отнюдь не содержанием теории струн, а только еще одной областью ее приложения. Ситуация со струнной теорией сложилась так, что многие, если не большинство решаемых ею задач имеют разве что косвенное отношение к проблемам физики элементарных частиц. Развитие ее сегодня уже определяется в большей степени своей внутренней логикой, а не потребностями того или иного физического приложения. И, как следствие, эта внутренняя логика, а не трудности альтернативных подходов к решению конкретных задач, становится обоснованием теории струн, как это и должно происходить с любой полноценной теорией. Более того, следуя этой логике, в орбиту теории струн вовлекаются все более разнообразные области физики и математики, и это приводит к образованию нового здания естествознания, внося новые штрихи в наше понимание структуры и взаимосвязей различных наук. Не обошли эту теорию вниманием и эзотерики самых различных течений. 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.
Что имеем в итоге? Не проходит и пары месяцев, как объявляется о каком-либо очередном серьёзном успехе. Неудивительно, ибо туева хуча физиков по всему глобусу денно и нощно занимаются изучением и развитием теории струн. Большинство из них ведёт голубая мечта — что в один прекрасный день теория струн таки станет Единой теорией всего. Профита от теории струн пока вроде как не намечается, а вот бабла хавает будь здоров один БАК чего стоит. Зато, если окончательный вин таки будет достигнут, то человечество поднимет своё ЧСВ до поистине заоблачных высот; будет что предъявить перед Б-гом. Но вот будет ли вин — ещё большой вопрос: вспоминаем, как физики ещё после Ньютона полагали, что все законы природы познаны, и больше ловить на этом поле нечего. Как бы то ни было, мозголомка по всему миру продолжается, пока ты сидишь в интернетах. Вины[ править ] Mузыкальное произведение, популяризирующее теорию струн и демонстрирующее какие проблемы привели к её появлению Ясен пень, что никто не стал бы мучиться с этой вашей непонятной теорией, если бы она не обладала большими плюсами в глазах физиков. И таковые действительно есть, причём какие! Прекращение борьбы бобра с ослом. На протяжении ХХ века бобро в лице ОТО и осло в лице квантовой механики цапались друг с другом, причиняя неистовый butthurt физикам. Как написано выше, теория струн нашла способ их помирить — не без обработки напильником, конечно, но осло по крайней мере перестало люто стремиться уничтожить бобро. Избавление от сингулярности. За что физики особенно благодарны теории струн — это за то, что ей в определённом смысле удалось укротить такое чудовище, как сингулярность, то есть возникающую по уравнениям ОТО бесконечную кривизну пространства-времени в экстремальных условиях например, в чёрных дырах или во время Большого взрыва. Теория струн утверждает, что никакой сингулярности не будет, ибо вся Вселенная имеет минимальный размер сжатия так называемый планковский размер , после которого она автоматически «вывернется наизнанку» и вновь начнёт расширяться. Точнее, продолжит сжиматься, но со стороны это будет выглядеть как расширение. Шанс стать Единой теорией. Физики полагают, что это одна из конечных целей физики как науки. Фейлы и трудности[ править ] M-теория таки идёт к успеху , но пока ещё не пришла, и у неё много своих проблем, при упоминании которых физики прикладывают руку к лицу. Сверхсложная высокость. Уравнения теории струн и уж тем более её последнего релиза — M-теории настолько сложны, что физики большей частью оперируют только их приближёнными формами. Что, конечно, не ведёт к повышению точности результатов. Более того, часто складывается такая ситуация, что для решения этих уравнений даже соответствующих математических методов-то не создано, и приходится придумывать всё на лету. Ёбаный стыд. Только этот стыд, собсно, не к самой теории струн, а к нынешнему состоянию математики. Уж пару веков старая добрая ньютоновская небесная механика никаких вам струн поставила общую задачу трех тел , а фиг ли толку? Или вот уравнения Навье — Стокса для турбулентных потоков — старая добрая классическая гидродинамика, двести лет отроду. За доказательство существования и гладкости решения даже не за само решение! Что символизирует. Практически везде, где физика уперлась в тупик, на самом деле в тупик уперлась математика. И в теории струн — тем более, ибо она там сложнее, чем где бы то ни было. И эта проблема служит источником двух других. Экспериментальный вакуум. Главный косяк теории — то, что она описывает явления на таких малых масштабах, что напрямую экспериментально подтвердить её основные утверждения невозможно. И никогда не будет возможно — для этого нужен не страшный ужасный адронный коллайдер длиной 27 километров, а ускоритель размером примерно с видимую Вселенную. Само по себе это не приговор — нужно только вывести косвенные наблюдаемые следствия. Вот теория великого объединения , например, предсказывает распад протона с ненулевой вероятностью — и физики надеются, загоняя в подземные резервуары туеву хучу тонн воды, что какой-нибудь протон, на глазах у их детекторов, таки распадется. Физика питается косвенными свидетельствами — в конце концов, как электроны движутся вокруг ядра, тоже никто до недавнего времени ни в какой микроскоп не видел, и ускорителей тогда тоже не было. Проблема в том, что выводить наблюдаемые следствия из уравнений теории струн при их нынешнем математическом состоянии — задача для волшебников. А без математического прорыва и прямого эксперимента в теории струн иногда в ход идут такие хитровыебанные аргументации, что любой продажный адвокат пожал бы физикам руку. Элементарные частицы, дополнительные измерения и некто Карл Поппер. Десятимерная теория струн на более привычных масштабах должна, естественно, сводиться к известной и ОЧЕНЬ хорошо проверенной физике элементарных частиц. Но, как выясняется, способов такого сведения существует по меньшей мере 10100 , хотя не исключено, что и 100500 , а то и вовсе бесконечность. При этом каждая из получившихся четырёхмерных теорий описывает свой собственный мир, который может быть похож на реальность, а может и принципиально отличаться от нее. Проблема здесь в том, что свойства частиц считаются способом колебания струн, а возможные способы колебания струн зависят от точной геометрии дополнительных измерений. Но существующим приближенным уравнениям удовлетворяет туева хуча разных геометрий. То есть эти уравнения были бы справедливы не только в нашем мире, но и в туевой хуче других миров, а возможно — в любом мире. Будь эти приближенные уравнения окончательными, это был бы тотальный экстерминатус в связи с нефальсифицируемостью по Попперу, то есть признаком ненаучности теории. А так — хвост пистолетом и искать точные уравнения. Квантовая гравитация[ править ] Основным результатом теории струн ну или М-теории, всем похуй принято считать возможность проквантовать гравитацию. Ясно дело , что кроме теории струн есть ещё и другие способы эту вашу гравитацию квантовать, которые убоги каждый в чем-то. Поэтому надо тут остановиться подробнее. Квантовая теория поля учит нас, что все взаимодействия между частицами можно представить в виде картинок, диаграмм Фейнмана.
Теория струн для чайников
Эти достижения убедили многих физиков, что теория струн способна выполнить свои обещания и стать окончательной объединяющей теорией. Теория струн предполагает объединения идей квантовой механики и теории относительности, представляя элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами. Первый вариант теории струн назвали бозонным, так как он описывал струнную природу бозонов, ответственных за взаимодействия материи, и не касался фермионов, из которых материя состоит. Теория струн возникла в середине 1970-х годов в результате развития струнной модели строения адронов. Новости науки, высокие технологии и научные открытия. Сравнительно недавно появился подход, дающий возможность разрешить это противоречие — теория струн.
Квантовая механика – следствие теории струн?
Вместо теории струн со всеми десятью пространственно-временными измерениями или знакомой нам Вселенной с четырьмя протяжёнными измерениями снова рассмотрим вселенную Садового шланга. Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений. это активная исследовательская платформа в области физики элементарных частиц, которая пытается согласовать квантовую механику и общую теорию относительности. Самые интересные и оперативные новости из мира высоких технологий. Теория струн рассматривалась как возможная «теория всего», единая структура, которая могла бы объединить общую теорию относительности и квантовую механику, две теории, лежащие в основе современной физики. Теория струн для чайников, предполагает объединение идей квантовой механики и теории относительности, представляя элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами.
Теория струн кратко и понятно. Теория струн для чайников.
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. Одни авторы придумали гипотетическую частицу — тахион, которая якобы двигается в вакууме быстрее скорости света.
Другие изобрели суперсимметрию, предположив, что у всех известных элементарных частиц есть суперпартнеры, что фермионы и бозоны в природе связаны. Третьи попытались гипотетически подсчитать, сколько измерений может быть у Вселенной и как они могут быть свернуты. Дело в том, что теория струн сама по себе требует, чтобы Вселенная, кроме трех привычных пространственных измерений и одного временного, имела еще как минимум шесть. Поэтому во многих вариантах фигурировало десять измерений, а потом пришлось ввести еще одно, чтобы объединить все пять теорий струн в единую М-теорию, где заглавная М означает «мистическая, материнская, мембранная, матричная». Сделал это обобщение американский физик-теоретик Эдвард Виттен. Он, к слову, до сих пор жив и здоров, как и начавший собирать этот научный пазл Габриеле Венециано.
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. Одни авторы придумали гипотетическую частицу — тахион, которая якобы двигается в вакууме быстрее скорости света. Другие изобрели суперсимметрию, предположив, что у всех известных элементарных частиц есть суперпартнеры, что фермионы и бозоны в природе связаны.
При этом оказывается, что в таком виде уравнения уже поддаются квантованию, пусть и не совсем классическому. Полученные при этом квантовые переменные могут пониматься как петли — отсюда и название. Насколько эти петли связаны с нашими струнами и связаны ли вообще все-таки звучит похоже , мы пока не знаем. Петлевая гравитация, конечно, менее экзотична, чем теория струн. В ней не требуются дополнительные измерения, не нужна суперсимметрия. То есть их можно добавить, но сами по себе они не возникают. Тут, однако, возникает тонкий момент — уверен, что специалисты по петлевой квантовой гравитации со мной не согласятся. Смотрите, стандартная Ньютонова механика получается как предел квантовой при устремлении к нулю некоторого параметра. Традиционно считается, что квантование — это обратный процесс, то есть построение теории, зависящей от параметра, которая, при стремлении этого параметра к нулю, дает нам доквантовую теорию. Так вот, на самом деле не очень понятно, получаются ли из петлевой квантовой гравитации обычная квантовая механика и теория относительности при переходе к некоторому пределу? Специалисты по этой теории считают, что получается и никакой проблемы тут нет. И возможно, они правы, а я нет — все-таки я не разбираюсь в деталях теории так, как они. Но издалека лично мне кажется, что там все не очень корректно. А есть какие-то предсказания петлевой гравитации, которые отличались бы от предсказаний теории струн? Желательно, чтобы эти предсказания еще и можно было проверить. Я думаю, если бы перед вами сидел специалист по петлевой квантовой гравитации, ответ был бы иным. Я ни в коем случае не утверждаю, что кто-то там нечестен, просто речь идет скорее о том, что у людей есть разные воззрения на то, что считать предсказанием и что считать фальсифицируемостью конкретной теории. Как бы то ни было, но я смею утверждать, что ни у кого из этих специалистов нет утверждения такого уровня: если не выполнено некоторое X, то вся теория не верна. Я никогда не слышал от них такого утверждения и думаю, они не могут его сделать. Мы, правда, тоже не можем ничего такого заявить на данном уровне развития технологии — в этом смысле мы с ними в равных условиях. Есть ли какие-нибудь еще теории? За годы их было довольно много скажем, причинная динамическая триангуляция , но ни одна из них не была доведена до уровня теории струн или теории петлевой гравитации. В частности, конечно, в вопросах внутренней непротиворечивости последних была проделана огромная работа, намного опередившая остальных конкурентов. Конечно, теории отдельно проверялись в экстремальных теоретических экспериментах — например, насколько хорошо та или иная теория описывает физику в окрестности, скажем, сверхмассивных черных дыр. Это ведь очень полезная работа — посмотреть на теорию в экстремальных условиях. Даже если мы не можем получить нужные условия экспериментально, такой подход бывает очень плодотворным. Недавно, например, в таком теоретическом эксперименте были получены довольно интересные результаты. Тут снова надо сделать небольшое отступление в прошлое. В 70-х годах прошлого века Стивен Хокинг заинтересовался вот каким вопросом: что происходит с материей, когда она падает в черную дыру? Ученые до него сказали бы, что все понятно — материя падает, пропадает, она в черной дыре, конец. Однако Хокинг обнаружил, что черные дыры могут излучать. Это означает, что как минимум часть материи, попавшей в черную дыру, попадает наружу в виде излучения. Свое открытие Хокинг сделал, добавив в теорию относительности немного квантовой механики. Он не объединил эти теории полностью, но объединил их в достаточной мере, чтобы делать конкретные космологические предсказания, которые позволяли кое-что в этой самой космологии объяснить. В 1997 году Хокинг уже на пару с Кипом Торном заключил пари на полное издание Британской энциклопедии с Джоном Прескиллом, профессором Калифорнийского технологического института и директором Института квантовой информации. Прескилл утверждал, что информация в черной дыре не исчезает — просто мы не в состоянии расшифровать то, что дыра излучает. В августе 2004 года на Международной конференции по общей теории относительности и космологии в Дублине Хокинг признал правоту Прескилла и предложил примерный механизм излучения информации правда, не принятый до конца научным сообществом. Как бы то ни было, возник вопрос. Квантовая механика требует, чтобы информация сохранялась. Это означает, что излучение дыры должно нести информацию о том, что в нее попало. Однако расчеты Хокинга показали, что излучение дыры имеет тепловой спектр. Это означает, что дыра излучает как абсолютно черное тело определенной температуры — в частности, это излучение не несет никакой информации о том, что в эту самую дыру упало. Возникает проблема исчезновения информации в черной дыре, которую сам Хокинг считал вовсе не проблемой, а просто законом природы. Мол, так устроена жизнь и информацию можно уничтожить. Потом пришла теория струн. И только совсем недавно, летом 2012 года, когда физики стали разбираться в тонкостях того, что происходит с информацией в черной дыре, как она «вырывается» наружу, они обнаружили, что три факта о черных дырах, которые до последнего времени считались верными, на самом деле противоречат друг другу. Речь идет о представлении горизонта событий черной дыры как гладкого региона пространства, в окрестностях которого ничего особенного, вообще говоря, не происходит; представлении о том, что квантовая механика унитарна то есть, в частности, требует сохранения информации , а также о том, что при достаточно низких энергиях на достаточном удалении от самой дыры применимы методы квантовой теории поля. Как разрешить это противоречие, пока никто не знает. Это, кстати, заставляет уже многих ученых ставить под сомнение саму теорию струн. Например, тот же Леонард Зюскинд, которого я упоминал выше, в связи с этим парадоксом выдвинул гипотезу, что, мол, теория струн в современном понимании, возможно, не полностью квантует гравитацию. А мы в это верили многие десятилетия. И это здорово, это именно то, что нужно — пусть не реальные эксперименты, а теоретические, но они заставляют ученых пересматривать теорию. Это чем-то напоминает зеркальную симметрию, о которой мы говорили раньше, только это соответствие более кардинальное. Дело в том, что на первый взгляд между этими теориями нет вообще ничего общего, ничего, что даже отдаленно могло бы их связывать. Но дело даже не в том, что две такие разные теории оказываются одним и тем же. Ее просто нет в уравнениях. А раз нет гравитации, то, значит, нет и проблем с унитарностью — ведь они появляются только в присутствии гравитации. Из этого, например, можно с уверенностью заключить, что всякая квантовая теория гравитации должна быть унитарной. Я даже больше скажу — в ту половину двойственности, которая с гравитацией, можно вписать черную дыру. Но при переходе к суперсимметричной части двойственности черная дыра превращается просто в нагретое скопление частиц. Такой объект, конечно, унитарен. Значит, и черные дыры в теории струн должны быть унитарны и никакая информация никуда не девается. Кроме таких вот теоретических построений эта двойственность где-нибудь еще используется? Да, конечно. Оказалось, например, что если вам нужно работать с кварк-глюонной плазмой этим, в частности, занимаются физики на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Нью-Йорке , стандартные методы теории поля не очень помогают — математика оказывается очень сложной. А в теории струн математика, как ни странно, оказывается проще.
То есть это "теория всего", которая дает понимание о природе Вселенной. Многие модели теории струн предсказывают, что во Вселенной должна существовать частица под названием "аксион". Ученые считают, что если эту частицу удастся обнаружить экспериментально, то это навсегда изменит физику. Именно такую задачу и поставила перед собой команда исследователей. Ученые предполагают, что аксионы должны иметь чрезвычайно низкие массы. Они не знают точного диапазона масс, но многие модели предсказывают, что эти массы должны варьироваться от примерно одной миллионной массы электрона до нулевой массы. Теория струн гласит, что одним из необычных свойств аксионов является то, что они могут иногда превращаться в фотоны, то есть в свет. А происходит это, когда они проходят через магнитные поля.