Эти достижения убедили многих физиков, что теория струн способна выполнить свои обещания и стать окончательной объединяющей теорией. Теория струн для чайников, предполагает объединение идей квантовой механики и теории относительности, представляя элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами. Как теория струн стала «теорией всего». Где-то к началу 1980-х ученые поняли, что теория струн, изначально придуманная для описания взаимодействий адронов, имеет более фундаментальный характер.
Теория струн, или Теория всего
Теория струн предположительно решает эту проблему и стремится описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации. Теория струн позволила устранить эту проблему, хотя они и не опирается на теорию поля. одна из наиболее восхитительных и глубоких теорий в современной теоретической физике.
Теория струн, или Теория всего
| Теория суперструн кратко и понятно | 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, Мультивселенная | Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано[7], связанных со струнными моделями строения адронов. |
Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи
Прочие фундаментальные объекты В 1995 году оказалось, что не одни только одномерные объекты являются кирпичиками нашего мироздания. Было предсказано существование необычных формаций — бранов — в виде цилиндра или объемного кольца, которые имеют такие особенности: Они в несколько миллиардов раз меньше атомов; Могут распространяться через пространство и время, имеют массу и заряд; В нашей Вселенной они представляют собой трехмерные объекты. Однако предполагают, что их форма гораздо более загадочна, поскольку значительная их часть может простираться в другие измерения; Многомерное пространство, которое скрывается под бранами, является гиперпространством; С этими структурами связывают существование частиц, являющихся переносчиками силы тяжести — гравитонов. Они свободно отделяются от бранов и плавно перетекают в другие измерения; На бранах локализованных также электромагнитные, ядерные и слабые взаимодействия; Наиболее важной разновидностью являются D-браны. На их поверхности крепятся конечные точки открытой струны в тот момент, когда она проходит сквозь пространство. 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.
В ходе работы исследователи изучили специальное семейство компактных K3-поверхностей — связанных комплексных двумерных поверхностей. Они представляют собой важные геометрические инструменты для понимания симметрий физических теорий. Пример поперечного сечения поверхности K3 в 3-х мерном пространстве, используемой математиками для изучения струнных двойственностей между F-теорией и гетеротической теорией в восьми измерениях. Напомним, что одной из важных особенностей теории струн является то, что она требует дополнительных измерений пространства-времени для математической согласованности. Однако далеко не каждый способ обработки этих дополнительных измерений, также называемый «компактификацией», дает модель с правильными свойствами для описания природы. Для так называемой восьмимерной компактификации модели теории струн, называемой F-теорией, дополнительные измерения должны иметь форму поверхности K3. В новой работе исследователи рассматривали двойственность двух видов теории струн — F-теории и гетеротической — в восьми измерениях. Теории струн быть Команда нашла четыре уникальных способа разрезать поверхности K3 особенно полезным способом, с помощью якобианских эллиптических расслоений — комплексов из нескольких волокон, по форме напоминающих батон или бублик. Исследователи построили явные уравнения для каждого из этих расслоений и показали, что концепции теории струн в реальном физическом мире имеют право на существование. Пример К3 поверхности «Вы можете думать об этом семействе поверхностей как о буханке хлеба, а о каждой фибрации — как о «ломтике» этой буханки», пишут исследователи.
Теория струн строится непоследовательными приближениями к полному описанию природы. Она предлагает полное описание с самого начала. Во-вторых, среди возможных вибраций струны есть одна, обладающая всеми нужными свойствами для того, чтобы быть квантовой частицей гравитационного поля. Исследования выявили свойства, которыми будет обладать гипотетическая частица — получившая название гравитон, — соответствующая квантовому гравитационному полю. Было показано, что гравитон должен быть безмассовым, не иметь заряда и обладать квантовомеханическим свойством, известным как спин-2. В-третьих, как бы ни была радикальна теория струн, она идёт по протоптанному пути, известному в истории физики. Специальная теория относительности расширяет наше понимание мира высоких скоростей; общая теория относительности идёт дальше и учитывает большие массы; квантовая механика и квантовая теория поля вводят нас в мир малых расстояний. Понятия, привлекаемые этими теориями, и предсказываемые ими свойства непохожи ни на что известное ранее. Более того, если применять эти теории в привычных рамках доступных нам скоростей, размеров и масс, они сведутся к описаниям, открытым до XX столетия — к классической механике Ньютона и классическим полям Фарадея, Максвелла и других. Теория струн могла бы претендовать на существенный отрыв от своих предшественников и отступить от нарисованной схемы ниже. Замечательно, что этого не происходит. Теория струн достаточно революционна для преодоления барьеров физики двадцатого столетия. При этом она достаточно консервативна, чтобы прошедшие три столетия открытий смогли уютно разместиться в её математическом аппарате. Пространственные измерения В первые годы исследований по теории струн физики столкнулись с фатальными математическими изъянами, например, спонтанное возникновение или исчезновение энергии. В 1970-х многие думали, что от теории струн необходимо отказаться. Но некоторые исследователи упорно придерживались другой точки зрения. В результате сложных исследований было выяснено, что проблемные свойства тесно связаны с числом пространственных измерений. В уравнениях теории струн нет изъянов во вселенной с девятью пространственными измерениями и одним временным, что в совокупности составляет десять измерений. Автор книги подмечает, что без технических подробностей будет тяжело или даже невозможно по крайней мере, для него объяснить, как это происходит. Так что здесь он дает некую техническую наводку. В теории струн есть одно уравнение, в котором присутствует вклад вида D - 10 умножить на проблему , где D — это число пространственно-временных измерений, а проблема — это некое математическое выражение, приводящее к проблемному физическому явлению, подобному ранее упомянутому нарушению закона сохранения энергии. Автор не может предложить никакого интуитивного, нетехнического объяснения, почему уравнение имеет именно этот вид. Но в вычислениях возникает именно оно. Простое, но ключевое наблюдение состоит в том, что, если число измерений равно десяти, а не четырём, как можно было бы ожидать, вклад в уравнение становится 0 умножить на проблему. Поскольку умножение на ноль всегда даёт ноль, во вселенной с десятью пространственно-временными измерениями проблема исчезает. Именно поэтому физики, занимающиеся теорией струн, рассматривают вселенную, в которой более четырёх пространственно-временных измерений. В начале XX столетия в нескольких статьях математика Калуцы и физика Клейна было высказано предположение о существовании измерений, легко ускользающих от обнаружения. Они предсказывали, что в отличие от привычных пространственных измерений, простирающихся на большие или даже бесконечные расстояния, могут существовать дополнительные измерения, настолько малые и скрученные, что их очень трудно увидеть. На рисунке поверхность высокой трубочки имеет два измерения; длинное вертикальное измерение легко увидеть, а малое круговое измерение обнаружить труднее. Из предложения Калуцы—Клейна следует, что похожее различие между одними измерениями, большими и легко видимыми, и другими, малыми и слабо различимыми, может иметь место и для структуры самого пространства. Причина, по которой мы всё знаем о привычных трёх пространственных измерениях, может быть в том, что их протяжённость велика может даже бесконечны. Однако если дополнительное пространственное измерение скручено и имеет чрезвычайно малый размер, то оно совершенно равноправно обычным нескрученным измерениям и при этом остаётся невидимым даже для самого мощного современного увеличивающего оборудования. Так начиналась теория Калуцы—Клейна, гипотеза о том, что наша Вселенная имеет больше трёх пространственных измерений. 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?
Предположим для простоты следуя Бранденбергеру и Вафе , что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. 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.
Что такое теория струн?
Теория струн естественно включает в себя и гравитацию с ее гипотетическим переносчиком — гравитоном. Ученые в качестве объяснения краткой сути теории струн пытались ввести понятие нулевого измерения. 20–минутное видео о теории струн. Про эту теорию впервые прочитал в журнале "Юный техник" ещё в школе.
Космический эксперимент поставил под сомнение теорию струн
Прочие фундаментальные объекты В 1995 году оказалось, что не одни только одномерные объекты являются кирпичиками нашего мироздания. Было предсказано существование необычных формаций — бранов — в виде цилиндра или объемного кольца, которые имеют такие особенности: Они в несколько миллиардов раз меньше атомов; Могут распространяться через пространство и время, имеют массу и заряд; В нашей Вселенной они представляют собой трехмерные объекты. Однако предполагают, что их форма гораздо более загадочна, поскольку значительная их часть может простираться в другие измерения; Многомерное пространство, которое скрывается под бранами, является гиперпространством; С этими структурами связывают существование частиц, являющихся переносчиками силы тяжести — гравитонов. Они свободно отделяются от бранов и плавно перетекают в другие измерения; На бранах локализованных также электромагнитные, ядерные и слабые взаимодействия; Наиболее важной разновидностью являются D-браны. На их поверхности крепятся конечные точки открытой струны в тот момент, когда она проходит сквозь пространство.
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.
Уравнение, вероятно, стало результатом долгих лет работы венециано, а случай лишь помог сделать первый шаг к открытию теории струн. Уравнение Эйлера, чудесным образом объяснившее сильное взаимодействие, обрело новую жизнь. В конце концов, оно попалось на глаза молодому американскому физику - теоретику Леонарду сасскинду, который увидел, что в первую очередь формула описывала частицы, которые не имели внутренней структуры и могли вибрировать. Эти частицы вели себя так, что не могли быть просто точечными частицами. Сасскинд понял - формула описывает нить, которая подобна упругой резинке.
Она могла не только растягиваться и сжиматься, но и колебаться, извиваться. Описав свое открытие, сасскинд представил революционную идею струн. К сожалению, подавляющее большинство его коллег встретили теорию весьма прохладно. Стандартная модель. В то время общепринятая наука представляла частицы точками, а не струнами. В течение многих лет физики исследовали поведение субатомных частиц, сталкивая их на высоких скоростях и изучая последствия этих столкновений.
Выяснилось, что вселенная намного богаче, чем это можно было себе представить. Это был настоящий "Демографический Взрыв" элементарных частиц. Аспиранты физических вузов бегали по коридорам с криками, что открыли новую частицу, - не хватало даже букв для их обозначения. Но, увы, в "Родильном Доме" новых частиц ученые так и не смогли отыскать ответ на вопрос - зачем их так много и откуда они берутся? Это подтолкнуло физиков к необычному и потрясающему предсказанию - они поняли, что силы, действующие в природе, также можно объяснить с помощью частиц. То есть существуют частицы материи, а есть частицы - переносчики взаимодействий.
Таковым, например, является фотон - частица света. Чем больше этих частиц - переносчиков - тех же фотонов, которыми обмениваются частицы материи, тем ярче свет. Ученые предсказывали, что именно этот обмен частицами - переносчиками - есть не что иное, как то, что мы воспринимаем как силу. Это подтвердилось экспериментами. Так физикам удалось приблизиться к мечте Эйнштейна по объединению сил. Ученые считают, что если мы перенесемся к моменту сразу после большого взрыва, когда вселенная была на триллионы градусов горячее, частицы - переносчики электромагнетизма и слабого взаимодействия станут неразличимы и объединятся в одну - един ственную силу, называемую электрослабой.
А если вернуться во времени еще дальше, то электрослабое взаимодействие соединилось бы с сильным в одну суммарную "Суперсилу". Несмотря на то, что все это еще ждет своих доказательств, квантовая механика вдруг объяснила, как три из четырех сил взаимодействуют на субатомном уровне. Причем объяснила красиво и непротиворечиво. Эта стройная картина взаимодействий, в конечном счете, получила название стандартной модели. Но, увы, и в этой совершенной теории была одна большая проблема - она не включала в себя самую известную силу макроуровня - гравитацию. Для не успевшей "Расцвести" теории струн наступила "осень", уж слишком много проблем она содержала с самого рождения.
Например, выкладки теории предсказали существование частиц, которых, как точно установили вскоре, не существует. Это так называемый тахион - частица, которая движется в вакууме быстрее света. Помимо прочего выяснилось, что теория требует целых 10 измерений. Неудивительно, что это очень смущало физиков, ведь это очевидно больше, чем то, что мы видим. К 1973 году только несколько молодых физиков все еще боролись с загадочными выкладками теории струн. Одним из них был американский физик - теоретик Джон Шварц.
В течение четырех лет Шварц пытался приручить непослушные уравнения, но без толку. Помимо других проблем, одно из этих уравнений упорно описывало таинственную частицу, которая не имела массы и не наблюдалась в природе. Ученый уже решил забросить свое гиблое дело, и тут его осенило - может быть, уравнения теории струн описывают, в том числе, и гравитацию? Впрочем, это подразумевало пересмотр размеров главных "Героев" теории - струн. Предположив, что струны в миллиарды и миллиарды раз меньше атома, "Струнщики" превратили недостаток теории в ее достоинство. Таинственная частица, от которой Джон Шварц так настойчиво пытался избавиться, теперь выступала в качестве гравитона - частицы, которую долго искали и которая позволила бы перенести гравитацию на квантовый уровень.
Именно так теория струн дополнила пазл гравитацией, отсутствующей в стандартной модели. Но, увы, даже на это открытие научное сообщество никак не отреагировало. Теория струн оставалась на грани выживания. Но Шварца это не остановило. Присоединиться к его поискам захотел только один ученый, готовый рискнуть своей карьерой ради таинственных струн - Майкл Грин. Субатомные матрешки.
Несмотря ни на что, в начале 1980-х годов теория струн все еще имела неразрешимые противоречия, называемые в науке аномалиями. Шварц и Грин принялись за их устранение. И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Каково же было изумление этих двоих, уже привыкших к тому, что их теорию пропускают мимо ушей, когда реакция ученого сообщества взорвала научный мир. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек. Именно тогда теорию струн наградили титулом теории всего.
Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания. И вот эти составляющие. Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц - электронов, которые кружатся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц - кварков.
Главным препятствием для использования этой теории в качестве обобщения Стандартной модели элементарных частиц является то, что она 10- или 11-мерна, а число 4-мерных фаз, полученных компактификацией лишних пространственных измерений, велико. Динамических принципов, позволяющих выбрать из этих фаз одну, отвечающую нашему миру, пока не найдено, поэтому модель часто соединяют с Мультиленной и апеллируют к антропному принципу. Потребности развития методов теории струн вызвали прогресс в традиционных разделах математики от алгебраической геометрии до теории чисел , от теории узлов до теории групп и породили новые парадигмы от квантовой геометрии до голографического принципа. Теория струн позволила чётко поставить задачу и обеспечила понимание чёрных дыр , ведущее к созданию квантовой теории информации. Опубликовано 10 октября 2023 г.
Последнее обновление 10 октября 2023 г. Связаться с редакцией.
Напомним, что одной из важных особенностей теории струн является то, что она требует дополнительных измерений пространства-времени для математической согласованности. Однако далеко не каждый способ обработки этих дополнительных измерений, также называемый «компактификацией», дает модель с правильными свойствами для описания природы. Для так называемой восьмимерной компактификации модели теории струн, называемой F-теорией, дополнительные измерения должны иметь форму поверхности K3. В новой работе исследователи рассматривали двойственность двух видов теории струн — F-теории и гетеротической — в восьми измерениях. Теории струн быть Команда нашла четыре уникальных способа разрезать поверхности K3 особенно полезным способом, с помощью якобианских эллиптических расслоений — комплексов из нескольких волокон, по форме напоминающих батон или бублик. Исследователи построили явные уравнения для каждого из этих расслоений и показали, что концепции теории струн в реальном физическом мире имеют право на существование.
Пример К3 поверхности «Вы можете думать об этом семействе поверхностей как о буханке хлеба, а о каждой фибрации — как о «ломтике» этой буханки», пишут исследователи. Изучая последовательность «ломтиков», мы можем визуализировать и лучше понять всю буханку. По мнению авторов статьи, важной частью этого исследования является выявление определенных геометрических строительных блоков, называемых «делителями», внутри каждой поверхности K3.
Пространство-время и его кривизна
- Предсказания теории струн.
- Квантовые поля
- Обнаружено новое доказательство теории струн
- Краткая история объединения
Что такое теория струн? Простой обзор
Субатомный уровень 5. Субатомный уровень 6. Ramos Особенности Теории струн 10-ое измерение Однако проблема заключается в том, что эти струны не могут существовать в четырех измерениях. Согласно теории струн в нашей Вселенной существует больше измерений, чем четыре. Мы знаем о трех пространственных и времени. Теория струн предполагает, что таких измерений минимум десять. Суперсимметрия Существует два класса элементарных частиц: бозоны и фермионы. Согласно Теории струн, между этими частицами существует суперсимметрия: напротив каждого фермиона есть свой бозон.
Это правило исключает существование воображаемого уровня энергии и придает смысл самой теории.
То есть мы имеем дело с квантовомеханическими вопросами и только с ними. Теория всего - гипотетическая объединённая физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Первые три взаимодействия описываются в настоящий момент квантовой механикой, последнее - теорией относительности С другой стороны, в теории струн есть эффект, называемый двойственностью. Его, если угодно, можно считать двоюродным братом вопроса интерпретации. Дело в том, что в теории одна и та же физическая ситуация допускает несколько математических описаний математических интерпретаций, если угодно. В некотором смысле противоположная история. Главное отличие двойственности в том, что это не источник споров или философских диспутов о том, как и что надо понимать, а мощный инструмент для работы. Расскажу из личного опыта. Некоторое время назад я как раз занимался зеркальной симметрией.
Дело в том, что, как уже говорилось выше, дополнительные измерения в теории струн компактифицированы — то есть свернуты особым образом, так что на первый взгляд наш мир видится четырехмерным. Оказывается, возможные формы дополнительных измерений, то есть то, каким образом они свернуты, существуют парами. В каждой паре элементы могут отличаться геометрией, топологией, но при этом дают одну и ту же физическую теорию. Так как физика одна и та же, то один и тот же эксперимент — скажем, рассеивание частиц — дает информацию о строении сразу двух объектов. Благодаря зеркальной симметрии физикам удается получить информацию о математике, которая стоит за этими объектами. То есть смотрите, пусть мы знаем, что наша теория описывает именно нашу Вселенную. Мы хотим предсказать результаты экспериментов по рассеиванию частиц. Начинаем считать — офигеть, не получается, слишком сложная математика. Тут мы вспоминаем о зеркальной симметрии и говорим себе: «Стоп! Мы же можем заменить одно пространство на другое, ведь физика, как известно, будет той же самой».
Мы так поступаем, и оказывается, что в зеркально-симметричной ситуации тот же эксперимент описывается много проще и мы все можем посчитать. И что, есть примеры, когда эта схема работает? И таких примеров множество. Другое дело, что мы пока точно не знаем, каким параметрам соответствует именно наша Вселенная. Вот в чем проблема. А как устроены эти симметрии, которые дают в результате два пространства? Исходное и зеркальное пространство связаны через подходящий орбифолд — грубо говоря, фактор многообразия по дискретной группе изометрий. А сама симметрия — это, конечно, просто действие Z2. Никаких континуальных симметрий, только дискретные. Вы говорите очень интересные вещи о математике.
На первый взгляд математические утверждения можно получать только с помощью самой математики. А вы говорите, что можно что-то узнать с помощью эксперимента... Ну это относится даже не к теории струн, а ко всей физике элементарных частиц. То есть прямо так: строгие математические утверждения можно получать экспериментально? Не понимаю, что вас смущает. Вот есть теория относительности Эйнштейна — математическая теория. Если наблюдать за движениями космических объектов, то можно много что узнать о геодезических свойствах самой метрики, которая фигурирует в уравнении Эйнштейна в поле тяжести массивного тела объекты малой массы движутся по геодезическим — кривым, являющимся решением подходящей системы дифференциальных уравнений — прим. Строгие математические факты. Так же и в теории элементарных частиц. Вы правы.
А приведите примеры, какие факты удается узнать таким образом про компактифицированные пространства? Есть важный геометрический вопрос, касающийся этих компактифицированных пространств — сколькими вариантами в эти пространства можно вложить сферы. Речь здесь идет про вложение голоморфным образом — но это детали, они в данном случае не имеют значения. До вмешательства физиков математики могли ответить на этот вопрос только в случае, когда число вращения — то есть то, сколько раз такая сфера обмотана вокруг себя самой, — достаточно мало. Один, два или три. Для чисел больше ничего известно не было. В теории струн оказалось, что эти числа связаны с амплитудами рассеивания. То есть для их подсчета достаточно было провести опыт, сделать преобразование Фурье, и первые, точно посчитанные коэффициенты в полученном ряду давали ровно то, что было нужно. Нужно больше коэффициентов? Просто проводим дополнительные эксперименты — и все.
Сначала математики не поверили, конечно: мол, как так — мы бились, у нас ничего не получалось, а тут какой-то эксперимент и все? Но потом, поглядев на эти числа достаточно долго, они вдохновились и придумали, как решить задачу уже для произвольных чисел вращения. Теория струн не единственная претендует на звание теории всего. Расскажите про ее основных конкурентов. Пожалуй, лучше всего развита петлевая квантовая гравитация. Чтобы понять основную идею, нужно сделать шаг назад. Необходимо понимать, что изначально физики пытались применить к уравнениям теории относительности стандартный подход квантовой механики, то есть проквантовать их так же, как, например, электромагнитное взаимодействие. Из этого ничего не получилось. Если обратиться к теории струн, то «квантованная» в некотором смысле гравитация там появляется сама собой. Она оказывается следствием фундаментальных свойств самой теории, нам не приходится насильно склеивать теорию относительности и квантовую механику.
Петлевая же гравитация занимается именно этим, то есть пытается склеить ТО и квантовую механику. Для этого уравнения Эйнштейна переписываются совсем в другом но эквивалентном исходному, это важно виде, в совершенно других переменных. 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.
Так что можно говорить о всеобщности законов квантовой механики. Но, несмотря на огромный успех, у нее есть существенный недостаток. Один из краеугольных камней квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга например, неопределенность в определении положения и импульса , не имеет никаких обоснований. Разумеется, практический успех — достаточное оправдание, чтобы принять это таинственное правило, но это не останавливает поисков физиками его объяснения. Струнная вселенная Изображение R. Этот результат опубликован в журнале Physics Letters. Как известно, теория струн была предложена в 1970-х годах для решения проблем квантовой гравитации и Стандартной модели.
Методы теории струн позволяют довольно эффективно выделять различного рода симметрии процесса, очень часто являющиеся внутренними для изучаемой физической системы и далеко не очевидными на первый взгляд. Выделение подобных симметрий и их использование в дальнейшем, позволяет довольно эффективно описывать нелинейные системы. Струнный подход к описанию нелинейных систем исходит из кардинальной переформулировки исходной задачи в терминах, характерных для струнной теории. В этом смысле, от теории струн следует ожидать создание теории классов универсальности, фрагментами которой являются такие теории, как теория катастроф и теория фазовых переходов. Последняя из этих теорий, а точнее, задача о классификации фазовых переходов в 2- и 3-мерных системах, привела к созданию двух важнейших разделов струнной теории: двумерные конформные модели, например, известная специалистам сигма-модель в магнетизме, и исчисление случайных поверхностей. Теория систем со многими фазами и межфазовыми флуктуациями Этот круг проблем напрямую связан с предыдущими проблемами. В самом деле, системы со многими фазами и множественными случайными переходами из одной фазы в другую являются характерным примером систем с сильными по интенсивности взаимодействиями. Эти системы могут быть удовлетворительно описаны, если мы знаем или хотя бы догадываемся, как найти такую точку зрения, с которой она выглядит как слабовзаимодействующая. Однако и тут изменение параметров системы снова может снова превратить слабо нелинейную систему в сильно нелинейную. Тогда необходимо искать новый подход в описании системы, возвращающий ее в исходное состояние. Такая смена подходов в описании и является основным содержанием учения о фазовых состояниях и фазовых переходах. Традиционные разделы физики, посвященные этому предмету, ограничиваются простейшими случаями, когда имеется мало различных фазовых состояний и переходы между ними представляются довольно отчетливыми. Однако, в последнее время все больший интерес представляют собой системы, в которых это далеко не так. Открыты физические системы, в которых число различных фаз неограничено и, более того, существенны процессы перехода одной фазы в другую. Понятно, что описание таких систем должно строиться из каких-то иных, нетрадиционных соображений. Наиболее известные из таких систем — спиновые стекла системы хаотически ориентированных спинов и нейронные сети. Струнный подход к описанию таких систем основан на упомянутой выше переформулировке возникающей задачи в новых терминах, сглаживающих такие существенные различия между различными фазами и уравнениями, как число переменных, порядок и число уравнений и даже размерность пространства, в котором они записаны. Но тут сразу следует указать, что практического применения открывающихся в этом направлении возможностей пока дело не дошло. Изучение этих возможностей находится на начальной стадии развития. Объединение фундаментальных взаимодействий Эта проблема заслуживает отдельного рассмотрения, вследствие своей особой роли в естествознании. И тем более, ее нельзя обойти, поскольку создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий — самый амбициозный проект, связанный со струнами, у истоков которого стоял Альберт Эйнштейн. Фактически имеется целых два проекта, а не один, которые не исключают, а скорее дополняют друг друга. Однако каждый из проектов имеет смысл и сам по себе. И если один из них в итоге будет признан несостоятельным, это не приведет к автоматическому закрытию второго. Первый сценарий, который можно считать наивным и прямолинейным приложением теории струн, приписывает струнам фундаментальную природу — элементарными следует считать не точечные частицы, а одномерные протяженные объекты. Примером может служить фотон, который в терминах теории струн представляется как замкнутая струна без натяжения нуль-струна. Отсутствие натяжения у нуль-струны соответствует отсутствию у фотона массы покоя. С точки зрения стандартной модели, активно используемой в современной физике элементарных частиц, это равносильно предположению о существовании бесконечно большого разнообразия частиц с упорядоченным определенным способом набором масс, спинами и структурой взаимодействия. Замечательно, что такая гипотеза не приводит не только к противоречиям с имеющимися экспериментальными данными. Более того, это предположение позволяет улучшить теорию поля, поскольку оно устраняет некоторые противоречия, характерные для квантовой теории поля.
Теория струн. Возникновение теории, ее приложения
Теория струн рассматривает вселенную с точки зрения этой абсолютной вибрации энергии а существование материальной вселенной лишь побочный эффект. Но повторюсь, вероятней всего я не прав. Советую почитать Стивена Хокинга, он пытался по простому объяснить основы данной теории.
По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии. Проблема, стоявшая перед физиками в течение четверти века, была решена. Для многих теоретиков это открытие было важным и убедительным аргументом в поддержку теории струн. Разработка теории струн до сих пор остается слишком грубой для прямого и точного сравнения с экспериментальными результатами, например, с результатами измерений масс кварка или электрона. 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. Даже Шелдон Глэшоу, Нобелевский лауреат по физике и убеждённый противник теории струн в 1980-е гг.
Струнная космология[ ] Существует три основных пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель. Во-первых, в духе современных исследований, всё более проясняющих ситуацию, из теории струн следует, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер. Этот вывод меняет представление о структуре Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва , для которого в стандартной модели получается нулевой размер Вселенной. Во-вторых, понятие T-дуальности, то есть дуальности малых и больших радиусов в его тесной связи с существованием минимального размера в теории струн, имеет значение и в космологии. В-третьих, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырёх, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений. Модель Бранденберга и Вафы[ ] В конце 1980-х гг. Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа сделали первые важные шаги к пониманию того, к каким изменениям в следствиях из стандартной космологической модели приведет использование теории струн. Они пришли к двум важным выводам.
Во-первых, по мере движения назад к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до момента, когда размеры Вселенной по всем направлениям сравняются с планковской длиной. В этот момент температура достигнет максимума и начнёт уменьшаться. На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления. Предположим для простоты следуя Бранденбергеру и Вафе , что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. 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.
Причина, по которой теория струн является потенциальной теорией всего, заключается в том, что она предсказывает, что все формы материи состоят из струн, и, следовательно, все на самом деле состоит из одного и того же «вещества». Будь то сила гравитации или электромагнитная сила, все это связано с вибрирующими струнами. В теории струн одно из многих колебательных состояний струны соответствует гравитону, квантовомеханической частице, которая несет гравитационную силу. Таким образом, можно сказать, что теория струн является теорией квантовой гравитации.
Следует отметить, однако, что не было найдено никаких доказательств в поддержку теории струн. Ни одно из предсказаний не было подтверждено ни экспериментом, ни наблюдением. Так что пока что это скорее математическая теория, чем физика.
Имеется и другой вариант объяснения сути спина «на пальцах», не менее, впрочем, майндфачный в итоге: спин — это количество оборотов вокруг своей оси, которые надо сделать частице, чтобы выглядеть так же, как вначале. И если для спинов в пределах единицы все вроде понятно любому предмету неправильной формы можно приписать «спин», равный единице , то при попытке представить себе форму объекта, который надо прокрутить вокруг оси дважды, чтобы он выглядел так же, как вначале, могут произойти необратимые изменения в коре головного мозга или замещающего органа. Чтобы уменьшить градус майндфака, попробуйте повернуть на 360 градусов чашку кофе, стоящую на ладони. Получилось то же, с чего начали? Ощущения в руке вам подскажут, что не совсем то.
А вот если… впрочем, гляньте-ка лучше видео. Бозонами называются те частицы, которые имеют целочисленный спин. Фермионы — те, у кого спин полуцелый. Так вот, первая версия теории струн описывала только бозоны, что было ещё одной из причин, по которым она до сих пор стоит на морозе. Обновлённый вариант теории струн включал в себя и фермионы, и тут все поняли, что при таком подходе проблема ненужных тахионов, как и множество других противоречий, исчезает! Но, как всегда, не обошлось без проблем. Новая теория струн не только заставила всех просветлиться, но и вбросила говна на вентилятор: по ней получалось, что для каждого бозона должен существовать соответствующий фермион, то есть между бозонами и фермионами должна существовать определённая симметрия. Такой вид симметрии предсказывался и раньше — под названием «суперсимметрия». Фейл заключался в том, что никто и никогда не наблюдал эти самые суперсимметричные фермионы.
Объяснение тому нашли простое: по расчётам, суперсимметричные фермионы должны обладать огромной для микромира массой, и потому в обычных условиях их хрен получишь. Для того, чтобы зарегистрировать их, нужны огромные энергии, которые достигаются при столкновении лёгких частиц на почти световых скоростях. Физики, осознав, в какой жопе они оказались, стали плакаться в жилетку всем, кому ни попадя, и причитать «бида-бида, канец науке». Неизвестно, кому они продали душу , но в итоге им удалось разжалобить больших дядь на серьёзные бабки для строительства Большого адронного коллайдера и пары коллайдеров поменьше. Да-да, именно так, Анон — одной из целей воздвижения этой НЁХ было именно получение суперсимметричных фермионов. Доводы школолофизика о 9-и измерениях, часть рас часть два Итак, теорию струн заменили теорией суперструн, но легче не стало: не успели физики прийти в себя от бодуна после празднования новой теории, как во все дыры полезли новые глюки. В итоге помощь пришла оттуда, откуда совсем не ждали. Ещё в далёком 1919 году никому тогда не известный немецкий математик Калуца прислал Эйнштейну письмо, где изложил свою теорию: наша Вселенная, вполне может статься, не трехмерная, а измерений может иметься более 9000. В своих работах Калуца делал допущение, что на самом деле Вселенная может быть четырехмерной в пространстве, и в доказательство своих слов приводил свои расчёты, из которых получалось, что при таком условии ОТО замечательно согласовывается с теорией электромагнитного поля Максвелла, чего невозможно достичь в обычной трехмерной Вселенной.
Эйнштейна письмо не впечатлило ещё бы, он только что придумал охуительно сложную теорию, хочется дать продохнуть мозгам, а тут ещё какой-то укуренный немец лезет со своим атсралом , и он ответил лишь « Окей ». В 1926 году физик Оскар Клейн заинтересовался работами Калуцы и усовершенствовал его модель. По Клейну получалось, что дополнительное измерение действительно может существовать, но оно находится в «свёрнутом» и зацикленном на самом себе виде. Причём свернуто четвёртое измерение очень туго — до размеров элементарных частиц, поэтому мы его и не замечаем. Вспомнили о Калуце в восьмидесятых годах, когда теория струн в очередной раз оказалась в жопе. Воспалённые мозги физиков в попытке объяснить несоответствия теории струн с квантовой механикой докатились до того, что было выдвинуто предположение — вся хуйня в расчётах была в том, что струны в нашей теории могут колебаться всего лишь в трёх направлениях, которыми располагает наша Вселенная. Вот если бы струны могли бы колебаться в четырёх измерениях… О, да тут же был какой-то Калуца, кстати, где он? Расчёты показали, что и в этом случае следует неиллюзорный фейл, но зато число противоречий в уравнениях вроде уменьшилось. Взбодренные физики продолжали увеличивать число измерений, пока не ввели все 9!!!
И тогда физики громогласно провозгласили, что на самом деле мы живём в десятимерной Вселенной, в том числе одно измерение во времени, три знакомых нам измерения развернуты до космических размеров, а остальные шесть свернуты в микроскопических масштабах и потому незаметны. Такие дела. Причём ни подтвердить, ни опровергнуть это на эксперименте практически никак нельзя, ибо речь идёт о таких малых масштабах струн и свернутых измерений, что современная аппаратура ничего не найдёт. Физики были счастливы, общественность охуевала и окончательно утвердилась в мысли, что физика — бесполезная наука. Рождение M-теории[ править ] Двумерная проекция трехмерной визуализации пространства Калаби-Яу Окрыленные новыми успехами, физики ринулись в бой, но скоро опять стали раздаваться возгласы: « WTF? Основным успехом явилось то, что физикам удалось по крайней мере, на бумаге установить общий вид шести свернутых измерений, необходимый для того, чтобы наш мир при этом оставался таким, какой он есть. Оказалось, что этот вид соответствует некоторым математическим объектам из группы под названием «Многообразия Яу» названа по имени развеселого и улыбчивого китайского математика по фамилии Яу, описавшего ее. Главный фейл — то, что хотя общий вид этих объектов и вычислили, но точный вид, как оказалось, нельзя установить без эксперимента. Без нахождения точного вида пространства Калаби-Яу нашей Вселенной вся теория струн скатывалась практически в гадание на кофейной гуще.
Впрочем, работы продолжались, и постепенно физикам удалось вычленить из общей массы гипотез пять более-менее правдоподобных теорий, которые могли бы описать нашу Вселенную. Ситуация сложилась вообще аховая — теперь теорий стало больше, чем надо, и это было нехорошо. Авторитет теории струн падал, дальнейшие направления для исследований не виделись, учёные пинали хуи целыми месяцами и потихоньку начали тухнуть. Но в середине девяностых годов прошлого века произошла так называемая вторая революция в теории струн. Неизвестно, чем и куда упоролись физики, но путём фатальных разрывов мозга один из них родил гипотезу, что десять измерений — это, конечно, хорошо, но всё выглядит так, будто чего-то не хватаэ. Оказалось, что введение ещё одного измерения со скрипом, но укладывается в ложе квантовой теории и ОТО, и более того — снимает очень многие накопившиеся проблемы в теории струн. В том числе успешно скрещивает все пять недотеорий в одну-единственную убертеорию. Вот её-то и назвали без фантазии M-теорией, и именно она на сегодня является высшим достижением матанщиков в деле познания Вселенной. Есть, однако, теория, согласно которой мы очень даже наблюдаем многомерные браны и иные измерения, только ещё не догадываемся об этом.
Согласно этой теории, загадочная тёмная материя есть вовсе не какие-то несуществующие слабовзаимодействующие частицы, а самая обычная материя - только существующая не в нашем измерении, а в параллельных. Гравитация, согласно этой теории, одна на все измерения, и непонятная гравитация, порождаемая невидимой материей, на самом деле долетает к нам из измерения Зен. О как! Переименование старого брэнда «теория струн» было оправданно, ибо по M-теории получается, что основа Вселенной — не только одномерные струны.
Теория струн кратко и понятно
Так, начал вырисовываться фундаментальный физический принцип, получивший прекрасное название Теория всего или Теория струн, которая стала воплощением мечты всех физиков по объединению двух противоречащих друг другу ОТО и квантовой механики. Стромиджер и Вафа, струнные теоретики, с помощью теории струн смогли отыскать микроскопические компоненты чёрных дыр экстремального типа. 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. Стромиджер и Вафа, струнные теоретики, с помощью теории струн смогли отыскать микроскопические компоненты чёрных дыр экстремального типа. 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».
Квантовая теория струн
Но теория струн, одна из самых популярных и сложных в современной физике, гласит, что измерений на самом деле может быть больше. Струны Вселенной: суть теории В основе теории струн Вселенной — попытки физиков найти универсальную силу, которая объединяла бы основные взаимодействия, существующие в природе — гравитацию, сильные и слабые ядерные силы, электромагнетизм. Теория струн вполне может претендовать на роль такой силы. Согласно ей, элементарные неделимые частицы, из которых состоят все предметы и вещества, — это не точки, а струны, вибрирующие по определенным шаблонам. В процессе этой вибрации они, в отличие от музыкальных струн, не издают звук, а вырабатывают новые частицы. Кварк самая маленькая элементарная частица вибрирует по одному шаблону, электрон — по другому.
При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. 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.
Например, выкладки теории предсказали существование частиц, которых, как точно установили вскоре, не существует. Это так называемый тахион — частица, которая движется в вакууме быстрее света. Помимо прочего выяснилось, что теория требует целых 10 измерений. Неудивительно, что это очень смущало физиков, ведь это очевидно больше, чем то, что мы видим. К 1973 году только несколько молодых физиков все еще боролись с загадочными выкладками теории струн. Одним из них был американский физик-теоретик Джон Шварц. В течение четырех лет Шварц пытался приручить непослушные уравнения, но без толку. Помимо других проблем, одно из этих уравнений упорно описывало таинственную частицу, которая не имела массы и не наблюдалась в природе.
Ученый уже решил забросить свое гиблое дело, и тут его осенило — может быть, уравнения теории струн описывают, в том числе, и гравитацию? Впрочем, это подразумевало пересмотр размеров главных «героев» теории — струн. Предположив, что струны в миллиарды и миллиарды раз меньше атома, «струнщики» превратили недостаток теории в ее достоинство. Таинственная частица, от которой Джон Шварц так настойчиво пытался избавиться, теперь выступала в качестве гравитона — частицы, которую долго искали и которая позволила бы перенести гравитацию на квантовый уровень. Именно так теория струн дополнила пазл гравитацией, отсутствующей в Стандартной модели. Но, увы, даже на это открытие научное сообщество никак не отреагировало. Теория струн оставалась на грани выживания. Но Шварца это не остановило. Присоединиться к его поискам захотел только один ученый, готовый рискнуть своей карьерой ради таинственных струн — Майкл Грин. Субатомные матрешки Несмотря ни на что, в начале 1980?
Шварц и Грин принялись за их устранение. И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек. Именно тогда теорию струн наградили титулом Теории Всего. Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания. И вот эти составляющие. Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц — электронов, которые кружатся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц — кварков. Но теория струн утверждает, что на кварках дело не заканчивается. Кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны.
Каждая из таких струн невообразимо мала. Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров Солнечной системы, струна была бы размером с дерево. Так же, как различные колебания струны виолончели создают то, что мы слышим, как разные музыкальные ноты, различные способы моды вибрации струны придают частицам их уникальные свойства — массу, заряд и прочее. Знаете, чем, условно говоря, отличаются протоны в кончике вашего ногтя от пока не открытого гравитона? Только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются. Конечно, все это более чем удивительно. Еще со времен Древней Греции физики привыкли к тому, что все в этом мире состоит из чего-то вроде шаров, крошечных частиц. И вот, не успев привыкнуть к алогичному поведению этих шаров, вытекающему из квантовой механики, им предлагается вовсе оставить парадигму и оперировать какими-то обрезками спагетти… Пятое измерение Хотя многие ученые называют теорию струн триумфом математики, некоторые проблемы у нее все же остаются — прежде всего, отсутствие какой-либо возможности в ближайшее время проверить ее экспериментально. Ни один инструмент в мире, ни существующий, ни способный появиться в перспективе, «увидеть» струны неспособен. Поэтому некоторые ученые, кстати, даже задаются вопросом: теория струн — это теория физики или философии?..
Правда, видеть струны «воочию» вовсе не обязательно. Для доказательства теории струн требуется, скорее, другое — то, что звучит как научная фантастика — подтверждение существования дополнительных измерений пространства. О чем идет речь? Все мы привыкли к трем измерениям пространства и одному — времени. Но теория струн предсказывает наличие и других — дополнительных — измерений.
Известно 4 измерения: длина, ширина, высота и время. Одна из необычных черт струнной теории состоит в том, что форма частиц определяется размером и формой дополнительных измерений. Физики, разрабатывающие теорию струн, рассматривают вселенную, имеющую более 4 пространственно-временных измерений. Пока неизвестно какова геометрическая форма дополнительных измерений. В заключении стоит отметить, что математика теории струн весьма своеобразна.