Теория струн, тем не менее, дает первое фундаментальное обоснование давно открытого свойства чёрных дыр, невозможность объяснения которого многие годы тормозила исследования физиков, работавших с традиционными теориями. Что такое теория струн, какие пять основных элементов в нее входят, является ли она теорией всего, какие у нее недостатки в статье на Ученые в качестве объяснения краткой сути теории струн пытались ввести понятие нулевого измерения. Теория струн, вероятно, это одна из самых интригующих гипотез в мире науки.
Теория струн
Не так давно физический мир облетела новость: знаменитая теория струн несовместима с существованием тёмной энергии, какой её себе представляет большинство космологов. Шерк и Шварц объявили, что теория струн — это не просто теория сильного взаимодействия, это квантовая теория, которая, помимо всего прочего, включает гравитацию.{27}. Самые интересные и оперативные новости из мира высоких технологий. Самые интересные и оперативные новости из мира высоких технологий. одна из наиболее восхитительных и глубоких теорий в современной теоретической физике.
Теория струн, Мультивселенная
И тут теория струн очень сильно пригодилась, связала все между собой, а через десятки лет ее постигла участь предшественников. Со временем для объяснения некоторых задач современной физики уже пришлось создать теорию суперструн, в которой были такие загадочные вещи, как десятки измерений или симметричные частицы даже не спрашивайте. Теория обновлялась , будто компьютерная игра, но множественные опыты, в том числе и в большом адронном коллайдере, пока не дали никаких значительных результатов. Теория суперструн и следующие за ней настолько сложны, что математики не могут помочь физикам в расчетах, а новые возможные эксперименты требуют гигантских, в прямом смысле слова вселенских, масштабов.
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. Например, при взгляде на рис.
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.
Она может показаться смешной и правдоподобной одновременно. Давайте же разберемся в теории струн. Сначала казалось, что эта теория может объяснить все процессы во Вселенной, но на деле она оказалась невероятно сложной. Теория струн — это идея теоретической физики о том, что реальность состоит из бесконечно малых вибрирующих струн — меньших, чем атомы, электроны или кварки. Согласно этой теории, когда струны вибрируют, скручиваются и сворачиваются, они производят эффекты во многих крошечных измерениях. Эти эффекты люди затем могут наблюдать во всем — от физики элементарных частиц до крупномасштабных явлений, таких как гравитация.
Теория суперструн кратко и понятно
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. В некотором смысле пришлось вернуться к школьной доске.
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. И наоборот - фотоны могут превращаться в аксионы. Это означает, что при помощи чувствительной рентгеновской обсерватории можно обнаружить подобную конвертацию.
Наиболее удобным местом для поиска аксионов оказались галактические кластеры - крупные скопления галактик, которые обладают мощными магнитными полями и зачастую содержат яркие источники рентгеновского излучения. В данном случае исследователи изучили скопление галактик в созвездии Персея. В течение пяти дней они изучали спектр рентгеновских лучей, которые движутся по направлению к сверхмассивной черной дыре в центре этого кластера. Длительное наблюдение и яркий источник рентгеновского излучения дали спектр с чувствительностью, достаточной для того, чтобы зафиксировать искажения.
Она требует использования различных математических инструментов, таких как теория групп, топология и теория функций. Математические методы, используемые в квантовой теории струн, часто связаны с алгебрами Ли, теорией представлений и дифференциальной геометрией. Квантовая теория струн также стремится объединить гравитацию и квантовую механику, две фундаментальные теории, которые до сих пор не были полностью совмещены.
Она предлагает новый подход к объединению этих двух теорий, позволяя описывать гравитацию в терминах квантовых объектов — струн. Это открывает новые возможности для понимания природы пространства, времени и гравитационных взаимодействий. Применение квантовой теории струн Квантовая теория струн имеет широкий спектр применений и вносит значительный вклад в различные области физики. Вот некоторые из них: Связь с теорией поля и инфляцией Вселенной Квантовая теория струн предлагает новый подход к объединению теории гравитации и теории поля. Она позволяет описывать гравитацию в терминах квантовых объектов — струн, что открывает новые возможности для понимания взаимодействия между элементарными частицами и гравитацией. Это может привести к разработке единой теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия в природе. Квантовая теория струн также имеет важное значение для теории инфляции Вселенной.
Инфляция — это модель, которая объясняет быстрое расширение Вселенной в первые моменты ее существования. Квантовая теория струн может предложить новые механизмы, которые могут объяснить происхождение и свойства инфляционного поля. Вклад в единое поле физики элементарных частиц Квантовая теория струн играет важную роль в поиске единой теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы. Она предлагает новый подход к объединению гравитации и других фундаментальных сил, таких как электромагнитная, сильная и слабая силы. Квантовая теория струн может быть ключом к пониманию природы и происхождения всех фундаментальных частиц и взаимодействий. Кроме того, квантовая теория струн может предложить новые модели элементарных частиц, которые могут быть проверены экспериментально. Она может предсказать существование новых частиц, таких как суперсимметричные партнеры известных частиц, которые могут быть обнаружены на ускорителях частиц или в космических экспериментах.
Перспективы и возможности для дальнейших исследований Квантовая теория струн остается активной областью исследований, и у нее есть много перспектив и возможностей для дальнейших разработок. Ученые продолжают исследовать различные аспекты теории струн, такие как сверхсимметрия, дополнительные измерения и свойства струнных моделей. Одной из перспективных областей исследований является разработка математических методов и техник, которые позволят более точно описывать и анализировать свойства и поведение струнных моделей. Это может привести к новым математическим открытиям и развитию смежных областей физики и математики. Кроме того, квантовая теория струн может иметь практические применения в различных областях, таких как квантовые вычисления, криптография и материаловедение. Исследования в этих областях могут привести к разработке новых технологий и приложений, которые могут иметь значительный вклад в науку и технологию. Критика и альтернативные подходы Квантовая теория струн, несмотря на свою значимость и потенциал, также подвергается критике и вызывает дискуссии среди ученых.
Вот некоторые из основных критических моментов и альтернативных подходов, которые были предложены: Ограничения и проблемы квантовой теории струн Одним из основных ограничений квантовой теории струн является ее сложность и математическая трудность. Формализм теории струн требует использования высокоабстрактных математических концепций, таких как теория операторов и топология. Это делает ее трудно доступной для понимания и применения в практических расчетах.
Из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. Поскольку температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению роста температуры и её дальнейшему снижению. В результате Бранденбергер и Вафа пришли к следующей космологической картине: сначала все пространственные измерения в теории струн плотно свернуты до минимальных размеров порядка планковской длины. Температура и энергия высоки, но не бесконечны: парадоксы начальной точки нулевого размера в теории струн решены. В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения теории струн совершенно равноправны и полностью симметричны: все они свернуты в многомерный комок планковских размеров. Далее, согласно Бранденбергеру и Вафе, Вселенная проходит первую стадию понижения симметрии, когда в планковский момент времени три пространственных измерения отбираются для последующего расширения, а остальные сохраняют исходный планковский размер. Затем эти три измерения отождествляются с измерениями в сценарии инфляционной космологии и в процессе эволюции принимают наблюдаемую теперь форму.
Модель Венециано и Гасперини[ ] После работы Бранденбергера и Вафы физики непрерывно продвигаются вперёд к пониманию струнной космологии. В числе тех, кто идет во главе этих исследований — Габриэле Венециано и его коллега Маурицио Гасперини из Туринского университета. Эти учёные представили свой вариант струнной космологии, который в ряде мест соприкасается с описанным выше сценарием, но в других местах принципиально отличается от него. Как Бранденбергер и Вафа, для исключения бесконечной температуры и плотности энергии, которые возникают в стандартной и инфляционной модели, они опирались на существование минимальной длины в теории струн. Однако вместо вывода о том, что в силу этого свойства Вселенная рождается из комка планковских размеров, Гасперини и Венециано предположили, что существовала доисторическая вселенная, возникшая задолго до момента, который называется нулевой точкой, и породившая этот космический « эмбрион » планковских размеров. Исходное состояние Вселенной в таком сценарии и в модели Большого взрыва очень сильно различаются. Согласно Гасперини и Венециано, Вселенная не являлась раскаленным и плотно скрученным клубком измерений, а была холодной и имела бесконечную протяженность. Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все её точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны. Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось всё более искривлённым и в результате произошел резкий скачок температуры и плотности энергии. Прошло немного времени, и трёхмерная область миллиметровых размеров внутри этих бескрайних просторов преобразилась в раскалённое и плотное пятно, тождественное пятну, которое образуется при инфляционном расширении по Гуту.
Затем все пошло по стандартному сценарию космологии Большого взрыва , и расширяющееся пятно превратилось в наблюдаемую Вселенную. Поскольку в эпоху до Большого взрыва происходило своё инфляционное расширение, решение парадокса горизонта, предложенное Гутом, оказывается автоматически встроенным в этот космологический сценарий. По выражению Венециано в интервью 1998 г. Изучение струнной космологии быстро становится областью активных и продуктивных исследований. Например, сценарий эволюции до Большого взрыва уже не раз был поводом горячих споров, а его место в будущей космологической формулировке далеко не очевидно. Однако нет сомнений, что эта космологическая формулировка будет твёрдо опираться на понимание физиками результатов, открытых во время второй суперструнной революции. Например, до сих пор не ясны космологические следствия существования многомерных мембран. Иными словами, как изменитcя представление о первых моментах существования Вселенной в результате анализа законченной М-теории? Этот вопрос интенсивно исследуется. Косвенные предсказания[ ] Несмотря на то, что арена основных действий в теории суперструн недоступна прямому экспериментальному изучению, ряд косвенных предсказаний теории суперструн всё же можно проверить в эксперименте.
Во-первых, обязательным является наличие суперсимметрии. Ожидается, что вступающий в строй в 2007 году Большой адронный коллайдер сможет открыть некоторые суперсимметричные частицы. Это будет серьёзной поддержкой теории суперструн. Во-вторых, в моделях с локализацией наблюдаемой вселенной в мультивселенной изменяется закон гравитации тел на малых расстояниях. В настоящее время проводится ряд экспериментов, проверяющих с высокой точностью закон всемирного тяготения на расстояниях в доли миллиметра. Обнаружение отклонения от этого закона было бы ключевым аргументом в пользу суперсимметричных теорий.
Симфония вселенной: теория струн для начинающих
| 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, или Теория всего | 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. |
| Что такое теория струн простыми словами: объясняем на пальцах | 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. |
Теория струн
| Теория струн. Теория всего / Интересное / Статьи / Еще / Обо всем | Теория струн возникла в середине 1970-х годов в результате развития струнной модели строения адронов. |
| Теория струн. Что это? | В своей основе Теория струн отрицает теорию Большого взрыва и утверждает, что Вселенная существовала всегда. |
| Что такое теория струн и может ли она открыть дверь в другие измерения | РБК Тренды | В теории струн каждая струна колеблется так же, в зависимости от влияющих на нее факторов. |
| Космический эксперимент поставил под сомнение теорию струн | Сравнительно недавно появился подход, дающий возможность разрешить это противоречие — теория струн. |
Войти на сайт
Рассказать о теории струн кратко вряд ли получится. 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. Теория струн сейчас — это лучшая попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, поскольку сами струны несут в себе гравитационную силу, а их вибрация является случайной, как и предсказывает квантовая механика. Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Самые интересные и оперативные новости из мира высоких технологий.
Космический эксперимент поставил под сомнение теорию струн
Описание теории струн простым и понятным языком, или как принято говорить "Для чайников". Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений. В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. 20–минутное видео о теории струн. Про эту теорию впервые прочитал в журнале "Юный техник" ещё в школе.
Особенности Теории струн
- Теория струн простыми словами
- Теория струн, Мультивселенная
- Симфония вселенной: теория струн для начинающих
- Что такое теория струн? Теория струн простыми словами
Теория струн, Мультивселенная
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.
Если вернуться в 1920-е годы, откуда вообще возникла такая экзотическая идея? Калуца заинтересовался этим, потому что вскоре после публикации Эйнштейном общей теории относительности ему на ум пришла одна идея.
Он обнаружил, что может модифицировать уравнения Эйнштейна и применить их ко вселенной с одним дополнительным пространственным измерением. Результат изучения модифицированных уравнений оказался захватывающим. Среди модифицированных уравнений Калуца обнаружил уравнения, уже применённые Эйнштейном для описания гравитации в трёх пространственных и одном временном измерениях. Но поскольку новая формулировка включала одно дополнительное пространственное измерение, Калуца обнаружил дополнительное уравнение. Получив это уравнение, Калуца распознал в нём уравнение электромагнитного поля, обнаруженное Максвеллом полувеком ранее. Как показал Калуца, во вселенной с одним дополнительным пространственным измерением гравитация и электромагнетизм могут быть описаны единым образом как пространственно-временные искривления. Но гравитация рябит в привычных трёх пространственных измерениях, а электромагнетизм — в четвёртом. Огромной проблемой для гипотезы Калуцы стало объяснение того, почему мы не видим четвёртое пространственное измерение.
Именно тогда Калуца предложил описанное выше решение: дополнительные измерения, если они достаточно малы, могут ускользать от фиксации нашими органами чувств и оборудованием. Однако последующие исследования показали, что программа Калуцы—Клейна сталкивается с некоторыми препятствиями, самым трудным из которых является невозможность встроить детальные свойства частиц материи, таких как электрон, в математическую структуру. В течение двух десятилетий предлагались и отвергались различные способы обойти эту проблему. Однако поскольку не было предложено ни одного подхода, свободного от этих недостатков, то к середине 1940-х годов идея объединения через дополнительные измерения практически была забыта. Спустя тридцать лет возникла теория струн. Математический аппарат теории струн не просто разрешал существование во Вселенной дополнительных измерений, он требовал их присутствия. Теория струн возродила программу Калуцы—Клейна, и к середине 1980-х годов учёные во всём мире воодушевлённо полагали, что это только вопрос времени, когда теория струн приведёт к полному описанию всей материи и взаимодействий. Большие надежды В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно.
При таком возбуждении понятно, что некоторые теоретики заговорили о скорой революции в решении основных проблем фундаментальной физики: слиянии гравитации и квантовой механики, объединении всех сил в природе, выяснении происхождения Вселенной. Но более умудрённые физики полагали, что такие надежды преждевременны. Теория струн настолько насыщена, обширна и математически трудна, что спустя почти три десятилетия после первой эйфории современные учёные одолели лишь часть исследовательского пути. С учётом того, что мир квантовой гравитации в сотни миллиардов миллиардов раз меньше чем всё, что мы сегодня можем экспериментально измерить, дорога будет длинная, даже по самым скромным оценкам. Теория струн и свойства частиц Один из самых основных вопросов всей физики стоит так: почему частицы, которые наблюдаются в природе, являются именно такими, а не какими-нибудь другими? Интерес к этому вопросу непросто академический, он отражает очень важный факт. Если бы у частиц были другие свойства, ядерные процессы, питающие звёзды, подобные нашему Солнцу, были бы нарушены. Вселенная без звёзд была бы совсем другой.
Очевидно, что без солнечного света и тепла не возникла бы сложная цепочка событий, приведшая к возникновению жизни на Земле. Поэтому возникает фундаментальный вопрос: как с помощью ручки, бумаги и, возможно, компьютера, а также руководствуясь нашим пониманием законов природы, вычислить свойства частиц и получить результаты, которые согласуются с экспериментальными данными. В рамках квантовой теории поля ответа на этот вопрос нет и не может быть. В квантовой теории поля измеренные свойства частиц выступают в качестве исходных данных — на их основе строится и определяется сама теория. Сможет ли теория струн справиться с этим лучше? Одна из самых красивых черт струнной теории состоит в том, что свойства частиц определяются размером и формой дополнительных измерений. Поскольку струны очень малы, они вибрируют не только в трёх привычных больших измерениях, но и в малых, свёрнутых измерениях. Колебания струн в струнной теории определяются формой скрученных измерений.
Вспоминая, что вибрационное поведение струн определяет свойства частиц, такие как массу и электрический заряд, мы видим, что эти свойства диктуются геометрией дополнительных измерений. Поэтому если достоверно известно, как выглядят дополнительные измерения в теории струн, то можно легко предсказать любые свойства вибрирующих струн и, следовательно, все свойства элементарных частиц, порождённых колебаниями струны. Трудность, как и раньше, в том, что никто не знает, какова точная геометрическая форма дополнительных измерений. Уравнения теории струн накладывают математические ограничения на геометрию дополнительных измерений и требуют, чтобы они принадлежали частному классу так называемых пространств Калаби—Яу. Проблема в том, что нет какой-то одной, выделенной формы Калаби—Яу. Наоборот, эти пространства имеют разные размеры и контуры. Дополнительные измерения, различающиеся по размерам и по форме, порождают разные вибрации струн и, следовательно, разные наборы свойств частиц. Отсутствие однозначной спецификации для дополнительных измерений является главным камнем преткновения, который не позволяет струнным теоретикам делать конкретные предсказания.
В середине 1980-х годов, было известно небольшое количество пространств Калаби—Яу, поэтому можно было надеяться проанализировать каждое из них и соотнести с известной физикой. Спустя несколько лет, число пространств Калаби—Яу возросло до нескольких тысяч, что стало серьёзной задачей для обстоятельного изучения. Время шло и число страниц в каталоге пространств Калаби—Яу только увеличивалось. Теперь их больше чем песчинок на пляже. И речи быть не может о том, чтобы математически рассмотреть каждое на роль дополнительных измерений. Поэтому струнные теоретики продолжают поиск математической подсказки, которая позволит выделить из всех возможных пространств Калаби—Яу то самое, единственное. Теория струн пока не реализовала свои возможности по объяснению свойств фундаментальных частиц. В этом отношении теория струн до сих пор не имеет особых преимуществ перед квантовой теорией поля.
Теория струн и эксперименты Если типичная струна имеет чрезвычайно крохотный размер, то для обнаружения её протяжённой структуры — той самой характеристики, которая отличает её от частицы — потребуется ускоритель в миллионы миллиардов раз мощнее, чем БАК. Предполагая, что выдающийся технологический прорыв не предвидится, такая ситуация означает, что на сравнительно малых энергиях, достижимых на имеющихся ускорителях, струны неотличимы от точечных частиц. Экспериментальная версия упомянутого ранее теоретического факта: на низких энергиях теория струн сводится к квантовой теории поля. Таким образом, даже если теория струн и является правильной фундаментальной теорией, в широком диапазоне доступных экспериментов она будет проявляться как квантовая теория поля. Выбор полей и кривых энергий в квантовой теории поля равносилен выбору формы дополнительных измерений в теории струн. Одна из проблем в теории струн состоит в том, что математика, которая связывает свойства частиц с формой дополнительных измерений, в высшей степени своеобразна.
Давайте же разберемся в теории струн. Сначала казалось, что эта теория может объяснить все процессы во Вселенной, но на деле она оказалась невероятно сложной. Теория струн — это идея теоретической физики о том, что реальность состоит из бесконечно малых вибрирующих струн — меньших, чем атомы, электроны или кварки. Согласно этой теории, когда струны вибрируют, скручиваются и сворачиваются, они производят эффекты во многих крошечных измерениях. Эти эффекты люди затем могут наблюдать во всем — от физики элементарных частиц до крупномасштабных явлений, таких как гравитация. В чем смысл теории струн?
Поэтому расстояние, которое меньше планковской длины, принципиально недостижимо. Струны бывают открытыми и замкнутыми. И те и другие имеют определённые устойчивые формы колебаний — моды. Механическая аналогия: зажимая по-разному скрипичные струны, можно извлекать самые разные звуки. Каждая колебательная мода струны соответствует той или иной частице и обеспечивает ей все наблюдаемые характеристики: массу, спин, заряд и прочее. Причем не только частицы-участники, но и частицы-переносчики взаимодействий предстают «на равных» в теории струн. Абсолютно все частицы могут быть описаны через единый объект — струну. Это же самое полное воплощение мечты о единстве мира!
Популярно о теории струн
Та материя, сутью которой являются струны, составляет только 5% массы Вселенной — ее видимая часть. 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. одно из направлений теоретической физики (можно сказать - физики элементарных частиц). Стало отчетливо понятно, что эта программа на самом деле является отнюдь не содержанием теории струн, а только еще одной областью ее приложения. Теория струн сейчас — это лучшая попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, поскольку сами струны несут в себе гравитационную силу, а их вибрация является случайной, как и предсказывает квантовая механика.
Краткая история теории струн
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 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. Масса этих элементарных частиц является проявлением того, как струны и браны завернуты в компактифицированных дополнительных измерениях. Например, в упрощенном случае, когда они свернуты в форме бублика, называемом математиками и физиками тором, струна может обернуть эту форму двумя способами: короткая петля через середину тора; длинная петля вокруг всей внешней окружности тора. Короткая петля будет легкой частицей, а большая — тяжелой.
При оборачивании струн вокруг торообразных компактифицированных измерений образуются новые элементы с различными массами. Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Свернутые измерения здесь гораздо сложнее тора, но в принципе они работают также. Возможно даже, хотя это трудно представить, что струна оборачивает тор в двух направлениях одновременно, результатом чего будет другая частица с другой массой. Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей. Определение пространства и времени Во многих версиях теория суперструн измерения сворачивает, делая их ненаблюдаемыми на современном уровне развития технологии. В настоящее время не ясно, сможет ли теория струн объяснить фундаментальную природу пространства и времени больше, чем это сделал Эйнштейн. В ней измерения являются фоном для взаимодействия струн и самостоятельного реального смысла не имеют. Предлагались объяснения, до конца не доработанные, касавшиеся представления пространства-времени как производного общей суммы всех струнных взаимодействий.
Такой подход не отвечает представлениям некоторых физиков, что привело к критике гипотезы. Конкурентная теория петлевой квантовой гравитации в качестве отправной точки использует квантование пространства и времени. Некоторые считают, что в конечном итоге она окажется лишь другим подходом ко все той же базовой гипотезе. Квантование силы тяжести Главным достижением данной гипотезы, если она подтвердится, будет квантовая теория гравитации. Текущее описание силы тяжести в ОТО не согласуется с квантовой физикой. Последняя, накладывая ограничения на поведение небольших частиц, при попытке исследовать Вселенную в крайне малых масштабах ведет к возникновению противоречий. Унификация сил В настоящее время физикам известны четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнитная, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Из теории струн следует, что все они когда-то являлись проявлениями одной. Согласно этой гипотезе, так как ранняя вселенная остыла после большого взрыва, это единое взаимодействие стало распадаться на разные, действующие сегодня.
Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединение этих сил, хотя такие опыты находятся далеко за пределами текущего развития технологии. Пять вариантов После суперструнной революции 1984 г. Физики, перебирая версии теории струн в надежде найти универсальную истинную формулу, создали 5 разных самодостаточных варианта. Какие-то их свойства отражали физическую реальность мира, другие не соответствовали действительности. М-теория На конференции в 1995 году физик Эдвард Виттен предложил смелое решение проблемы пяти гипотез. Основываясь на недавно обнаруженой дуальности, все они стали частными случаями единой всеобъемлющей концепции, названной Виттеном М-теория суперструн. Одним из ключевых ее понятий стали браны сокращение от мембраны , фундаментальные объекты, обладающие более чем 1 измерением. Хотя автор не предложил полную версию, которой нет до сих пор, М-теория суперструн кратко состоит из таких черт: 11-мерность 10 пространственных плюс 1 временное измерение ; двойственности, которые приводят к пяти теориям, объясняющих ту же физическую реальность; браны — струны, с более чем 1 измерением. 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.
Но на этих проблемах, в силу их достаточной математической сложности, абстрактности и специфичности останавливаться не будем.
Струна, как физический объект Уважаемый читатель, если ты пробрался через общую характеристику проблем, стоящих перед теорией струн, поговорим о струнах, как физическом объекте. Струна в самом простейшем понимании — это одномерный протяженный объект с натяжением. То есть, его энергия растет с ростом его длины. Струна музыкального инструмента, давшая имя всему предмету, пример, лежащий на поверхности. Конечно, в теории музыкальных струн нас вряд ли ожидают какие бы то ни было неожиданности, но для полноты картины не упомянуть их нельзя. Другой важный пример струны — белковые молекулы. В связи с белковыми молекулами нельзя не упомянуть, например, что даже такой знакомый всем процесс, как сокращение мышцы, хорошо моделируется процессом распространения локализованного возбуждения солитона , бегущего вдоль струны.
Вихри Абрикосова в сверхпроводниках второго рода Более интересно появление струны в роли устойчивых квазичастиц или, другими словами, локализованных возбуждений в системе, а так же при изучении нетривиальных фазовых состояний, в частности, при спонтанных нарушениях локальной внутренней симметрии. В такой ситуации струны не только не редкость, а скорее закономерность. Как бы это ни было парадоксально, но причиной появления этих образований является трехмерность нашего пространства. Бывают и более сложные, а значит и более интересные причины появления струны — динамические. Примером такой струны является простейшая модель мезона, упомянутая выше. Стоит заметить, что задача о струне с натяжением, на концах которой закреплены точечные массы, а именно так и выглядит в струнной терминологии простейшая модель мезона, до настоящего времени полностью не решена в силу возникающих при ее решении математических сложностей. Говоря о струнах в физике, нельзя не обратиться и к несколько более спекулятивному понятию фундаментальной струны.
Это понятие связано, в первую очередь, со сценариями объединения фундаментальных взаимодействий электромагнитного, слабого, сильного и гравитационного. Тут полезно будет напомнить, что три из них исключая гравитационное , удовлетворительно описываются стандартной моделью, которая объединила в себе теорию электрослабого взаимодействия Вайнберга — Салама объединение электромагнитного и слабого взаимодействий и квантовую хромодинамику теорию сильного взаимодействия. Про гравитацию на настоящий момент мы знаем только то, что есть классическая теория гравитации — Общая Теория Относительности ОТО , и что наши наблюдательные возможности не позволяют нам наблюдать ни эффектов квантовой гравитации, ни наличие каких либо поправок к предсказаниям ОТО. То есть, с точки зрения физического метода тут царит полная гармония. А именно, имеющаяся теория полностью соответствует имеющемуся эксперименту. Тут надо ждать новых экспериментов, результаты которых разойдутся с теорией. Тогда появится необходимость эту теорию исправлять.
Заметим, что это одна из надежд, по-прежнему возлагаемых по настоящий момент на Большой Адронный Коллайдер. Таким образом, при обсуждении проблем, связанных с созданием теории Великого Объединения, в современной физике можно проследить следующие направления. Либо ее признаки содержатся в стандартной модели, либо их надо усматривать в Общей Теории Относительности. Попробуем разобраться в этой ситуации. Можно было бы предположить, что на место стандартной модели на более фундаментальном уровне придет какая-то модель великого объединения, обладающая более высокими внутренними симметриями, или, большинство полей стандартной модели окажутся чем-то вроде частиц, составленных их полей какой-то иной, более фундаментальной природы. Однако, попытки найти подобное построение в рамках принятой локальной теории, в которой все частицы являются точечными, с неизбежностью приводит к существованию в такой теории ультрафиолетовой высокоэнергетической бесконечности, природа, которой заключена именно в точечности фундаментальных объектов. Поэтому, все с той же необходимостью, приходим к утверждению, что современная стандартная модель есть не что иное, как низкоэнергетический предел какой-то более универсальной модели.
Формальным подтверждением этого является известный факт, что все динамические уравнения обсуждаемой модели являются дифференциальными уравнениями второго порядка.
Теория относительности, которая была впервые предложенная Альбертом Эйнштейном , объясняет Вселенную в ее самых больших масштабах, используя такие понятия, как гравитация и скорость света. Квантовая механика — полная ее противоположность, это наука о мельчайших масштабах, таких как масштаб атомов и субатомных частиц.
Вместе теория относительности и квантовая механика могут объяснить очень большое и очень маленькое. Однако, несмотря на то, что обе поддерживают все, что мы знаем о вселенной, теория относительности и квантовая механика плохо работают вместе. На самом деле ученые не смогли объединить две теории в единую теорию всего.
Объединение двух столпов физики в одно целое может показаться не слишком важным. Ведь по отдельности теория относительности и квантовая механика могут объяснить большую часть Вселенной. Однако наличие двух отдельных законов, управляющих вселенной, имеет свои проблемы.
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.
Вы точно человек?
Теория струн воспринималась как теория ядерного взаимодействия (в ядре атома удерживаются нейтроны и протоны). О чем теория струн? Самое простое и понятное объяснение. 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». Стало отчетливо понятно, что эта программа на самом деле является отнюдь не содержанием теории струн, а только еще одной областью ее приложения. Теория струн предполагает объединения идей квантовой механики и теории относительности, представляя элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами. Вместо теории струн со всеми десятью пространственно-временными измерениями или знакомой нам Вселенной с четырьмя протяжёнными измерениями снова рассмотрим вселенную Садового шланга.