Стало отчетливо понятно, что эта программа на самом деле является отнюдь не содержанием теории струн, а только еще одной областью ее приложения.

Теория струн, вероятно, это одна из самых интригующих гипотез в мире науки.

Теория струн, Мультивселенная

Теория струн кратко и понятно – смотреть видео онлайн в Моем Мире \| ₻Sapsan₻ 26	О чем теория струн? Самое простое и понятное объяснение.
Теория струн — узнай главное на ПостНауке	Если традиционно физики пытались обосновать теорию струн с помощью квантовой мезаники, Барс и Рычков исходили из того, что теория струн верна, и, исходя из постулатов этой теории, вывели принцип неопределенности.

Что такое Теория струн и существует ли 10-ое измерение

Что такое одиннадцать измерений, представить наглядно невозможно. Я могу объяснить, что такое пять измерений. Если представить водопроводный шланг, по которому насекомое спокойно может передвигаться вдоль и поперек — это нормальное наше измерение. Представьте, что эта трубочка свернута до планковской длины волны. С точки зрения любого наблюдателя, это будет одномерная линия. С точки зрения реальности физической — двухмерная линия.

Расширение Вселенной вопреки всем ожиданиям не замедляется, а ускоряется.

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. Если бы эти искажения были найдены, то можно было бы с большой долей уверенности заявить, что существование аксионов подтверждено экспериментально.

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. К ужасу всего научного сообщества, оказалось, что могут существовать и двухмерные аналоги струн — мембраны , и трёхмерные, и четырёхмерные… Эти конструкции были названы бранами струна — 1-брана, мембрана — 2-брана, и так далее. На то, что эти самые браны нигде не были экспериментально зарегистрированы, физики дружно положили болт — хули, не впервой, и вообще мы тут делом заняты, а вы мешаете своими претензиями. Браны у нас на данном этапе принципиально ненаблюдаемы. Что имеем в итоге? Не проходит и пары месяцев, как объявляется о каком-либо очередном серьёзном успехе. Неудивительно, ибо туева хуча физиков по всему глобусу денно и нощно занимаются изучением и развитием теории струн.

Большинство из них ведёт голубая мечта — что в один прекрасный день теория струн таки станет Единой теорией всего. Профита от теории струн пока вроде как не намечается, а вот бабла хавает будь здоров один БАК чего стоит. Зато, если окончательный вин таки будет достигнут, то человечество поднимет своё ЧСВ до поистине заоблачных высот; будет что предъявить перед Б-гом. Но вот будет ли вин — ещё большой вопрос: вспоминаем, как физики ещё после Ньютона полагали, что все законы природы познаны, и больше ловить на этом поле нечего. Как бы то ни было, мозголомка по всему миру продолжается, пока ты сидишь в интернетах. Вины[ править ] Mузыкальное произведение, популяризирующее теорию струн и демонстрирующее какие проблемы привели к её появлению Ясен пень, что никто не стал бы мучиться с этой вашей непонятной теорией, если бы она не обладала большими плюсами в глазах физиков. И таковые действительно есть, причём какие!

Прекращение борьбы бобра с ослом. На протяжении ХХ века бобро в лице ОТО и осло в лице квантовой механики цапались друг с другом, причиняя неистовый butthurt физикам. Как написано выше, теория струн нашла способ их помирить — не без обработки напильником, конечно, но осло по крайней мере перестало люто стремиться уничтожить бобро. Избавление от сингулярности. За что физики особенно благодарны теории струн — это за то, что ей в определённом смысле удалось укротить такое чудовище, как сингулярность, то есть возникающую по уравнениям ОТО бесконечную кривизну пространства-времени в экстремальных условиях например, в чёрных дырах или во время Большого взрыва. Теория струн утверждает, что никакой сингулярности не будет, ибо вся Вселенная имеет минимальный размер сжатия так называемый планковский размер , после которого она автоматически «вывернется наизнанку» и вновь начнёт расширяться. Точнее, продолжит сжиматься, но со стороны это будет выглядеть как расширение.

Шанс стать Единой теорией. Физики полагают, что это одна из конечных целей физики как науки. Фейлы и трудности[ править ] M-теория таки идёт к успеху , но пока ещё не пришла, и у неё много своих проблем, при упоминании которых физики прикладывают руку к лицу. Сверхсложная высокость. Уравнения теории струн и уж тем более её последнего релиза — M-теории настолько сложны, что физики большей частью оперируют только их приближёнными формами. Что, конечно, не ведёт к повышению точности результатов. Более того, часто складывается такая ситуация, что для решения этих уравнений даже соответствующих математических методов-то не создано, и приходится придумывать всё на лету.

Ёбаный стыд. Только этот стыд, собсно, не к самой теории струн, а к нынешнему состоянию математики. Уж пару веков старая добрая ньютоновская небесная механика никаких вам струн поставила общую задачу трех тел , а фиг ли толку? Или вот уравнения Навье — Стокса для турбулентных потоков — старая добрая классическая гидродинамика, двести лет отроду. За доказательство существования и гладкости решения даже не за само решение! Что символизирует. Практически везде, где физика уперлась в тупик, на самом деле в тупик уперлась математика.

И в теории струн — тем более, ибо она там сложнее, чем где бы то ни было. И эта проблема служит источником двух других.

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. Часы кропотливой работы, в результате позволили математикам доказать теоремы каждого из четырех расслоений, а затем протолкнуть каждую теорему через сложные алгебраические формулы.

Издание SciTechDaily приводит слова авторов исследования о том, что для последней части этого процесса ученые использовали программное обеспечение Maple и специализированный пакет дифференциальной геометрии, который оптимизировал вычислительные усилия. Наша Вселенная очень странная и возможно состоит из струн Отметим, что начиная с 1980-х гг. И хотя каждая из них построена на струнах и дополнительных измерениях все пять версий объединены в общую теорию суперструн, о чем подробно писал мой коллега Илья Хель , в деталях эти версии довольно сильно расходились. Парадокс заключается в том, что все пять версий на сегодняшний день можно назвать одинаково верными.

Войти на сайт

Критические замечания Как и всякая научная революция, эта пробивается сквозь тернии непонимания и критики со стороны адептов традиционных взглядов. Среди наиболее часто высказываемых замечаний: Введение дополнительных измерений пространства-времени создает гипотетическую возможность существования огромного количества вселенных. По словам математика Питера Вольта, это приводит к невозможности предсказания любых процессов или явлений. Всякий эксперимент запускает большое количество различных сценариев, которые могут быть интерпретированы различными способами; Отсутствует возможность подтверждения. Современный уровень развития техники не позволяет экспериментально подтвердить или опровергнуть кабинетные исследования; Последние наблюдения за астрономическими объектами не волне укладываются в положения теории, что заставляет ученых пересматривать некоторые свои выводы; Ряд физиков высказывают мнение, что концепция является спекулятивной и тормозит развитие других фундаментальных представлений.

Пожалуй, легче доказать теорему Ферма, чем простыми словами разъяснить положения теории струн. Математический аппарат ее столь обширен, что понять ее под силу лишь маститым ученым из крупнейших НИИ. До сих пор не ясно, найдут ли реальное применение сделанные за последние десятки лет на кончике пера открытия. Если да, то нас ждет дивный новый мир с антигравитацией, множеством вселенных и разгадкой природы черных дыр.

Видео: теория струн кратко и доступно В данном ролике физик Станислав Ефремов расскажет простыми словами, в чем заключается теория струн: Рекомендуем.

Позже начиная с середины 1990-х годов, попытки теоретиков распутать эти загадки неожиданно привели теорию струн к сюжету с мультивселенными. Учёным давно было известно, что математические методы, применяемые при анализе теории струн, используют множество приближений, а потому их можно усовершенствовать. Когда была сделана часть уточнений, учёные осознали, что соответствующий математический аппарат ясно указывает, что наша Вселенная является, возможно, частью некоторой мультивселенной. Квантовые поля Начнем с рассмотрения традиционной квантовой теории поля. В классической физике поля описываются как нечто типа тумана, который пронизывает область пространства и может переносить возмущения в виде ряби и колебаний. В квантовой механике понятия поля приводит к квантовой теории поля. Квантовая неопределенность заставляет значение поля в каждой точке случайно колебаться.

Подобно воде, состоящей из молекул H2O, квантово-механическое поле состоит из бесконечно малых частиц — кванты поля. Но как бы не представлять частицы в рамках квантовой теории поля они математически описываются как крохотные точки, не имеющие пространственного размера и внутренней структуры. Осведомлённый читатель может не согласиться с утверждением, что каждое поле ассоциируется с частицей. Более точное утверждение звучит так: малые флуктуации поля около локального минимума его потенциала обычно интерпретируются как возбуждения частиц. Этого определения будет достаточно для наших обсуждений. К тому же осведомлённый читатель заметит, что локализация частицы в точке сама по себе является идеализацией, потому что для этого потребуется — из принципа неопределённости — бесконечный импульс и энергия. Опять же суть в том, что в квантовой теории поля нет, в принципе, предела того, как можно локализовать частицу. Вера физиков в квантовую теорию поля обусловлена одним существенным фактором: ни один эксперимент не противоречит её предсказаниям.

Наоборот, данные подтверждают, что уравнения квантовой теории поля описывают поведение частиц с изумительной точностью. После такого успеха можно ожидать, что квантовая теория поля является математическим фундаментом для понимания всех сил в природе. В результате упорного труда многих из физиков к концу 1970-х было установлено, что слабое и сильное ядерные взаимодействия действительно прекрасно описываются квантовой теорией поля. Однако многие из физиков быстро пришли к выводу, что ситуация с четвёртым взаимодействием в природе — гравитацией, гораздо тоньше. Как только уравнения общей теории относительности объединяются с уравнениями квантовой теории, математика начинает бунтовать. Совместное использование уравнений для вычисления квантовой вероятности некоторых физических процессов — таких как вероятность того, что два электрона оттолкнутся друг от друга — как правило, приводит к ответу бесконечность. Но вероятности бесконечными быть не могут. По определению значение вероятности должно находиться между 0 и 1 между 0 и 100, если считать в процентах.

Бесконечная вероятность шлёт очевидный математический намёк: совместное использование уравнений бессмысленно. Физики выяснили, что проблема кроется в дрожании и флуктуациях из-за квантовой неопределённости. Математические методы квантовой теории поля были разработаны для анализа флуктуаций сильных, слабых и электромагнитных полей, но, при их применении к гравитационному полю — полю, которое определяет кривизну пространства-времени, — оказалось, что они бесполезны. Целое поколение физиков боролось с квантовыми флуктуациями, и к началу 1970-х годов были развиты математические методы, адекватно описывающие квантовые свойства негравитационных полей. Однако флуктуации гравитационного поля качественно другие. Они больше похожи на землетрясение. Поскольку гравитационное поле вплетено в саму ткань пространства-времени, квантовые флуктуации сотрясают всю его структуру вдоль и поперёк. Математические методы, используемые для анализа таких всеобъемлющих квантовых флуктуаций, перестают работать.

В течение многих лет физики смотрели сквозь пальцы на эту проблему, потому что она возникает только при весьма экстремальных условиях. Гравитация вступает в игру, когда объекты очень массивны, а квантовая механика — когда их размер очень мал. Редко бывает, чтобы предмет был одновременно и массивный, и малым. Однако подобные ситуации возникают. Когда гравитация и квантовая механика применяются для описания или Большого взрыва, или чёрных дыр, то есть когда действительно огромная масса вещества сжимается до небольших размеров, математические методы перестают работать. Насколько массивным и малым должна быть физическая система, для того чтобы и гравитация, и квантовая механика играли существенную роль. Ответ такой — масса, примерно в 109 раз превышающая массу протона, так называемая масса Планка, сжатая до фантастически малого объёма примерно 10-99 кубического сантиметра грубо говоря, это сфера с радиусом 10-33 сантиметра с так называемой планковской длиной. Таким образом, расстояние, на котором квантовая гравитация вступает в права, в миллион миллиардов раз меньшее расстояния, достижимого на самых мощных в мире ускорителях.

Такая огромная неисследованная территория легко может быть населена новыми полями и их частицами — и кто знает, чем ещё. Однако в середине 1980-х годов в физическом сообществе поползли слухи, что в направлении объединения произошёл серьёзный теоретический прорыв в рамках подхода, названного теорией струн. Теория струн Хотя теория струн имеет репутацию сложной теории, её основная идея очень простая. Стандартная точка зрения, до теории струн, состояла в том, что фундаментальные составляющие являются точечными частицами — точками без внутренней структуры, — которые описываются уравнениями квантовой теории поля. Теория струн бросает вызов такому представлению, утверждая, что частицы не являются точечными. Вместо этого, предлагается рассматривать их как крошечные, струноподобные вибрирующие нити. При более детальном рассмотрении, говорит теория, вы увидите, что струны в частицах разного типа неразличимы, но вибрируют они по-разному. Электрон менее массивен чем кварк, и согласно теории струн, это означает, что струна электрона вибрирует менее энергично, чем струна кварка.

Различные свойства частиц объясняются разным вибрационным поведением нитей в теории струн, подобно тому как разные вибрации гитарных струн порождают звучание разных музыкальных нот. По причине бесконечно малого размера струны, порядка планковской длины — 10-33 сантиметра, даже самые точные современные эксперименты не могут подтвердить или опровергнуть протяжённую структуру струны. БАК, на котором частицы сталкиваются друг с другом при энергиях, превышающих в 10 триллионов раз энергию покоящегося протона, может добраться до расстояний примерно 10-19 сантиметра; это миллионная от миллиардной доли толщины волоса, но всё же оно слишком велико, на много порядков больше планковских расстояний. Поэтому струны выглядят как точки, даже если их изучать на самых мощных в мире ускорителях частиц. Тем не менее, согласно теории струн, частицы являются струнами. В этом, в двух словах, и заключается теория струн. Струны, точки и квантовая гравитация Следует подчеркнуть три особо важных момента. Во-первых, когда учёные физики предлагают модель описания природы с помощью квантовой теории поля, они также выбирают поля, которые войдут в теорию.

Этот выбор диктуется экспериментальными ограничениями, а также теоретическими предпосылками.

Однако последствия квантовой гипотезы для детерминизма тогда еще не осознавались. Пока в 1926 году другой немецкий ученый, Вернер Гейзенберг, не сформулировал знаменитый принцип неопределенности. Суть его сводится к тому, что вопреки всем господствующим до того утверждениям, природа ограничивает нашу способность предсказывать будущее на основе физических законов.

Речь, конечно, идет о будущем и настоящем субатомных частиц. Выяснилось, что они ведут себя совершенно не так, как это делают любые вещи в окружающем нас макромире. На субатомном уровне ткань пространства становится неровной и хаотичной. Мир крошечных частиц настолько бурный и непонятный, что это противоречит здравому смыслу.

Пространство и время в нем настолько искривлены и переплетены, что там нет обычных понятий левого и правого, верха и низа, и даже до и после. Не существует способа сказать наверняка, в какой именно точке пространства находится в данный момент та или иная частица, и каков при этом момент ее импульса. Существует лишь некая вероятность нахождения частицы во множестве областей пространства - времени. Частицы на субатомном уровне словно "Размазаны" по пространству.

Мало этого, не определен и сам "Статус" частиц: в одних случаях они ведут себя как волны, в других - проявляют свойства частиц. Это то, что физики называют корпускулярно-волновым дуализмом квантовой механики. В общей теории относительности, словно в государстве с противоположными законами, дело обстоит принципиально иначе. Пространство представляется похожим на батут - гладкую ткань, которую могут изгибать и растягивать объекты, обладающие массой.

Они создают деформации пространства - времени - то, что мы ощущаем как гравитацию. Стоит ли говорить, что стройная, правильная и предсказуемая общая теория относительности находится в неразрешимом конфликте с "Взбалмошной Хулиганкой" - квантовой механикой, и, как следствие, макромир не может "помириться" с микромиром. Вот тут на помощь и приходит теория струн. Теория всего.

Теория струн воплощает мечту всех физиков по объединению двух, в корне противоречащих друг другу ото и квантовой механики, мечту, которая до конца дней не давала покоя величайшему "Цыгану и Бродяге" Альберту Эйнштейну. Многие ученые уверены, что всё, от изысканного танца галактик до безумной пляски субатомных частиц, может в итоге объясняться всего одним фундаментальным физическим принципом. Может быть - даже единым законом, который объединяет все виды энергии, частиц и взаимодействий в какой-нибудь элегантной формуле. Ото описывает одну из самых известных сил вселенной - гравитацию.

Квантовая механика описывает три других силы: сильное ядерное взаимодействие, которое склеивает протоны и нейтроны в атомах, электромагнетизм и слабое взаимодействие, которое участвует в радиоактивном распаде. Любое событие в мироздании, от ионизации атома до рождения звезды, описывается взаимодействиями материи посредством этих четырех сил. С помощью сложнейшей математики удалось показать, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют общую природу, объединив их в единое электрослабое. Впоследствии к ним добавилось и сильное ядерное взаимодействие - но вот гравитация к ним не присоединяется никак.

Теория струн - одна из самых серьезных кандидаток на то, чтобы соединить все четыре силы, а, значит, объять все явления во вселенной - недаром ее еще называют "Теорией Всего". Вначале был миф. До сих пор далеко не все физики пребывают в восторге от теории струн. А на заре ее появления она и вовсе казалась бесконечно далекой от реальности.

Само ее рождение - легенда. В конце 1960-х годов молодой итальянский физик - теоретик Габриэле венециано искал уравнения, которые смогли бы объяснить сильные ядерные взаимодействия - чрезвычайно мощный "Клей", который скрепляет ядра атомов, связывая воедино протоны и нейтроны. Согласно легенде, как-то он случайно наткнулся на пыльную книгу по истории математики, в которой нашел уравнение двухсотлетней давности, впервые записанное швейцарским математиком Леонардом Эйлером. Каково же было удивление венециано, когда он обнаружил, что уравнение Эйлера, которое долгое время считали ничем иным, как математической диковинкой, описывает это сильное взаимодействие.

Как же было на самом деле? 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.

Позднее другие исследователи подхватили идею единой теории. Наиболее успешная схема объединения получила название теория струн. Краткая история объединения Когда Эйнштейн размышлял об объединении, науке были известны две силы: гравитация, описываемая его собственными уравнениями, и электромагнетизм, описываемый уравнениями Максвелла. Эйнштейн предполагал объединить две теории в единую математическую конструкцию, которая сочленила бы действие всех сил в природе.

Цель была весьма амбициозна, и Эйнштейн отнёсся к ней очень серьёзно. У него была уникальная способность полностью отдаваться задаче, которую он перед собой поставил, и последние тридцать лет своей жизни он полностью посвятил проблеме объединения. Однако его последние вычисления не пролили больше света на вопрос объединения. После смерти Эйнштейна работа над единой теорией практически прекратилась. Многие физики переключились на изучение микромира, руководствуясь квантовой механикой. При этом делались успехи в раскрытии тайны атома и использовании его скрытой мощи.

В дальнейшем были экспериментально обнаружены другие взаимодействия: сильное ядерное и слабое ядерное. И теперь единая теория должна объединять не две силы, а четыре. Мечта Эйнштейна стала еще более призрачной. В конце 1960-х и в начале 1970-х годов пошла обратная волна. Физики осознали, что методы квантовой теории поля, успешно применённые в электромагнетизме, также хорошо описывают слабое и сильное ядерные взаимодействия. Таким образом, все три негравитационные силы описываются на одном математическом языке.

Более того, при подробном исследовании этих квантовых теорий поля обнаружились взаимосвязи, указывающие на возможное единство электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий. Давайте рассмотрим этот вопрос подробнее. Глэшоу, Салам и Вайнберг предположили, что электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия. Электрослабая теория была подтверждена в экспериментах на ускорителе в конце 1970-х и начале 1980-х годов. Глэшоу и Джорджи пошли дальше и предложили, что электрослабое и сильное взаимодействия являются проявлениями ещё более фундаментального взаимодействия, в рамках подхода, который был назван великим объединением. Однако простейшая версия великого объединения была отброшена, когда учёным не удалось экспериментально подтвердить одно из предсказаний — что протоны должны время от времени распадаться.

Тем не менее есть много других вариантов великого объединения, которые пока экспериментально не отвергнуты, например, потому, что предсказываемая ими скорость распада протона настолько мала, что чувствительность современного экспериментального оборудования недостаточна для обнаружения распада. Однако даже если великое объединение не подкрепляется экспериментальными данными, уже нет никаких сомнений, что три негравитационных взаимодействия могут быть описаны на едином математическом языке квантовой теории поля. Всё это являлось впечатляющим продвижением к единой теории, однако на таком обнадёживающем фоне возникла досадная проблема. Когда учёные применили методы квантовой теории к четвёртой силе в природе — гравитации, оказалось, что математика просто не работает. Как бы успешно ни работали общая теория относительности и квантовая механика на своих естественных масштабах, на больших и малых расстояниях, бессмысленный результат, полученный при попытке их объединения, означал глубокую трещину в понимании законов природы. В середине 1980-х годов произошёл следующей ключевой скачок.

Новая теория, теория суперструн, завладела умами физиков по всему миру. Она смягчила разногласия между общей теорией относительности и квантовой механикой и дала надежду, что гравитация может быть встроена в объединённый квантово-механический каркас. Была развита впечатляющая и изощрённая математическая структура, но многое в теории суперструн оставалось неясным. Открытие теории суперструн дало толчок к развитию других, тесно связанных теоретических подходов, направленных на поиски единой теории фундаментальных взаимодействий. В частности, суперсимметричная квантовая теория поля и её гравитационное расширение супергравитация глубоко изучались в середине 1970-х годов. Суперсимметричная квантовая теория поля и супергравитация основаны на новом принципе суперсимметрии, который был открыт в рамках теории суперструн, но эти подходы подключают суперсимметрию к обычным теориям точечных частиц.

Квантовая неопределенность заставляет значение поля в каждой точке случайно колебаться. Подобно воде, состоящей из молекул H2O, квантово-механическое поле состоит из бесконечно малых частиц — кванты поля. Но как бы не представлять частицы в рамках квантовой теории поля они математически описываются как крохотные точки, не имеющие пространственного размера и внутренней структуры. Осведомлённый читатель может не согласиться с утверждением, что каждое поле ассоциируется с частицей. Более точное утверждение звучит так: малые флуктуации поля около локального минимума его потенциала обычно интерпретируются как возбуждения частиц. Этого определения будет достаточно для наших обсуждений.

К тому же осведомлённый читатель заметит, что локализация частицы в точке сама по себе является идеализацией, потому что для этого потребуется — из принципа неопределённости — бесконечный импульс и энергия. Опять же суть в том, что в квантовой теории поля нет, в принципе, предела того, как можно локализовать частицу. Вера физиков в квантовую теорию поля обусловлена одним существенным фактором: ни один эксперимент не противоречит её предсказаниям. Наоборот, данные подтверждают, что уравнения квантовой теории поля описывают поведение частиц с изумительной точностью. После такого успеха можно ожидать, что квантовая теория поля является математическим фундаментом для понимания всех сил в природе. В результате упорного труда многих из физиков к концу 1970-х было установлено, что слабое и сильное ядерные взаимодействия действительно прекрасно описываются квантовой теорией поля.

Однако многие из физиков быстро пришли к выводу, что ситуация с четвёртым взаимодействием в природе — гравитацией, гораздо тоньше. Как только уравнения общей теории относительности объединяются с уравнениями квантовой теории, математика начинает бунтовать. Совместное использование уравнений для вычисления квантовой вероятности некоторых физических процессов — таких как вероятность того, что два электрона оттолкнутся друг от друга — как правило, приводит к ответу бесконечность. Но вероятности бесконечными быть не могут.

Квантовая теория струн

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. К ужасу всего научного сообщества, оказалось, что могут существовать и двухмерные аналоги струн — мембраны , и трёхмерные, и четырёхмерные… Эти конструкции были названы бранами струна — 1-брана, мембрана — 2-брана, и так далее. На то, что эти самые браны нигде не были экспериментально зарегистрированы, физики дружно положили болт — хули, не впервой, и вообще мы тут делом заняты, а вы мешаете своими претензиями.

Браны у нас на данном этапе принципиально ненаблюдаемы. Что имеем в итоге? Не проходит и пары месяцев, как объявляется о каком-либо очередном серьёзном успехе. Неудивительно, ибо туева хуча физиков по всему глобусу денно и нощно занимаются изучением и развитием теории струн. Большинство из них ведёт голубая мечта — что в один прекрасный день теория струн таки станет Единой теорией всего. Профита от теории струн пока вроде как не намечается, а вот бабла хавает будь здоров один БАК чего стоит.

Зато, если окончательный вин таки будет достигнут, то человечество поднимет своё ЧСВ до поистине заоблачных высот; будет что предъявить перед Б-гом. Но вот будет ли вин — ещё большой вопрос: вспоминаем, как физики ещё после Ньютона полагали, что все законы природы познаны, и больше ловить на этом поле нечего. Как бы то ни было, мозголомка по всему миру продолжается, пока ты сидишь в интернетах. Вины[ править ] Mузыкальное произведение, популяризирующее теорию струн и демонстрирующее какие проблемы привели к её появлению Ясен пень, что никто не стал бы мучиться с этой вашей непонятной теорией, если бы она не обладала большими плюсами в глазах физиков. И таковые действительно есть, причём какие! Прекращение борьбы бобра с ослом.

На протяжении ХХ века бобро в лице ОТО и осло в лице квантовой механики цапались друг с другом, причиняя неистовый butthurt физикам. Как написано выше, теория струн нашла способ их помирить — не без обработки напильником, конечно, но осло по крайней мере перестало люто стремиться уничтожить бобро. Избавление от сингулярности. За что физики особенно благодарны теории струн — это за то, что ей в определённом смысле удалось укротить такое чудовище, как сингулярность, то есть возникающую по уравнениям ОТО бесконечную кривизну пространства-времени в экстремальных условиях например, в чёрных дырах или во время Большого взрыва. Теория струн утверждает, что никакой сингулярности не будет, ибо вся Вселенная имеет минимальный размер сжатия так называемый планковский размер , после которого она автоматически «вывернется наизнанку» и вновь начнёт расширяться. Точнее, продолжит сжиматься, но со стороны это будет выглядеть как расширение.

Более того, часто складывается такая ситуация, что для решения этих уравнений даже соответствующих математических методов-то не создано, и приходится придумывать всё на лету. Ёбаный стыд. Только этот стыд, собсно, не к самой теории струн, а к нынешнему состоянию математики. Уж пару веков старая добрая ньютоновская небесная механика никаких вам струн поставила общую задачу трех тел , а фиг ли толку? Или вот уравнения Навье — Стокса для турбулентных потоков — старая добрая классическая гидродинамика, двести лет отроду. За доказательство существования и гладкости решения даже не за само решение!

Что символизирует. Практически везде, где физика уперлась в тупик, на самом деле в тупик уперлась математика. И в теории струн — тем более, ибо она там сложнее, чем где бы то ни было. И эта проблема служит источником двух других. Экспериментальный вакуум. Главный косяк теории — то, что она описывает явления на таких малых масштабах, что напрямую экспериментально подтвердить её основные утверждения невозможно.

И никогда не будет возможно — для этого нужен не страшный ужасный адронный коллайдер длиной 27 километров, а ускоритель размером примерно с видимую Вселенную. Само по себе это не приговор — нужно только вывести косвенные наблюдаемые следствия. Вот теория великого объединения , например, предсказывает распад протона с ненулевой вероятностью — и физики надеются, загоняя в подземные резервуары туеву хучу тонн воды, что какой-нибудь протон, на глазах у их детекторов, таки распадется. Физика питается косвенными свидетельствами — в конце концов, как электроны движутся вокруг ядра, тоже никто до недавнего времени ни в какой микроскоп не видел, и ускорителей тогда тоже не было. Проблема в том, что выводить наблюдаемые следствия из уравнений теории струн при их нынешнем математическом состоянии — задача для волшебников.

Частота колебания для каждой частицы будет своя, а значит, и перепутать их невозможно. Теория струн действительно решила множество вопросов , которые возникали у исследователей того времени, ведь раньше даже было непонятно, почему частицы столько весят а у некоторых из них масса вообще отсутствует. Плюс существует стандартная модель, основы которой, теория квантового поля про взаимодействие между частицами и общая теория относительности объясняющая гравитацию , никак не могли подружиться между собой.

И тут теория струн очень сильно пригодилась, связала все между собой, а через десятки лет ее постигла участь предшественников.

Ученые решили развернуть последовательность рассуждений. Если традиционно физики пытались обосновать теорию струн с помощью квантовой мезаники, Барс и Рычков исходили из того, что теория струн верна, и, исходя из постулатов этой теории, вывели принцип неопределенности. Сама по себе эта теория является попыткой избавиться от расхождений релятивистской квантовой теории и общей теории относительности. Первые идеи были предложены еще в 1960-х годах при исследовании адрона.

Но, несмотря на активные исследования на протяжении многих десятилетий, квантовая теория гравитации до сих пор так и не создана. Вот уже четыре десятилетия физики работают в этом направлении. Теория пережила два взлета-революции и периоды упадка. Трудность заключается в том, что нет никаких экспериментальных данных по теории струн. Эксперименты на таких маленьких масштабах в настоящее время за пределами технических возможностей науки. Из-за этого целый ряд физиков даже полагает теорию струн лишь «математическими фокусами». Но до сих пор исследователи исходили из того, что теория струн создана в соответствии с квантовой механикой и работали только в направлении использования квантовой механики для попыток проверки струнной теории поля.

Теория струн для чайников

В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно. Теория струн применима к познанию строения микромира не в том смысле, что там кругом висят верёвочки, а что описание происходящих в микромире процессов математически сходно с описанием неких “струн”. 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. Если традиционно физики пытались обосновать теорию струн с помощью квантовой мезаники, Барс и Рычков исходили из того, что теория струн верна, и, исходя из постулатов этой теории, вывели принцип неопределенности. Что такое теория струн, какие пять основных элементов в нее входят, является ли она теорией всего, какие у нее недостатки в статье на Если теория струн это, в том числе, и теория гравитации, то как она соотносится с теорией тяготения Эйнштейна?

Обнаружено новое доказательство теории струн

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. 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.

Ученые предполагают, что аксионы должны иметь чрезвычайно низкие массы. Они не знают точного диапазона масс, но многие модели предсказывают, что эти массы должны варьироваться от примерно одной миллионной массы электрона до нулевой массы. Теория струн гласит, что одним из необычных свойств аксионов является то, что они могут иногда превращаться в фотоны, то есть в свет. А происходит это, когда они проходят через магнитные поля. 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.

За годы их было довольно много скажем, причинная динамическая триангуляция , но ни одна из них не была доведена до уровня теории струн или теории петлевой гравитации. В частности, конечно, в вопросах внутренней непротиворечивости последних была проделана огромная работа, намного опередившая остальных конкурентов. Конечно, теории отдельно проверялись в экстремальных теоретических экспериментах — например, насколько хорошо та или иная теория описывает физику в окрестности, скажем, сверхмассивных черных дыр. Это ведь очень полезная работа — посмотреть на теорию в экстремальных условиях. Даже если мы не можем получить нужные условия экспериментально, такой подход бывает очень плодотворным. Недавно, например, в таком теоретическом эксперименте были получены довольно интересные результаты. Тут снова надо сделать небольшое отступление в прошлое. В 70-х годах прошлого века Стивен Хокинг заинтересовался вот каким вопросом: что происходит с материей, когда она падает в черную дыру? Ученые до него сказали бы, что все понятно — материя падает, пропадает, она в черной дыре, конец. Однако Хокинг обнаружил, что черные дыры могут излучать. Это означает, что как минимум часть материи, попавшей в черную дыру, попадает наружу в виде излучения. Свое открытие Хокинг сделал, добавив в теорию относительности немного квантовой механики. Он не объединил эти теории полностью, но объединил их в достаточной мере, чтобы делать конкретные космологические предсказания, которые позволяли кое-что в этой самой космологии объяснить. В 1997 году Хокинг уже на пару с Кипом Торном заключил пари на полное издание Британской энциклопедии с Джоном Прескиллом, профессором Калифорнийского технологического института и директором Института квантовой информации. Прескилл утверждал, что информация в черной дыре не исчезает — просто мы не в состоянии расшифровать то, что дыра излучает. В августе 2004 года на Международной конференции по общей теории относительности и космологии в Дублине Хокинг признал правоту Прескилла и предложил примерный механизм излучения информации правда, не принятый до конца научным сообществом. Как бы то ни было, возник вопрос. Квантовая механика требует, чтобы информация сохранялась. Это означает, что излучение дыры должно нести информацию о том, что в нее попало. Однако расчеты Хокинга показали, что излучение дыры имеет тепловой спектр. Это означает, что дыра излучает как абсолютно черное тело определенной температуры — в частности, это излучение не несет никакой информации о том, что в эту самую дыру упало. Возникает проблема исчезновения информации в черной дыре, которую сам Хокинг считал вовсе не проблемой, а просто законом природы. Мол, так устроена жизнь и информацию можно уничтожить. Потом пришла теория струн. И только совсем недавно, летом 2012 года, когда физики стали разбираться в тонкостях того, что происходит с информацией в черной дыре, как она «вырывается» наружу, они обнаружили, что три факта о черных дырах, которые до последнего времени считались верными, на самом деле противоречат друг другу. Речь идет о представлении горизонта событий черной дыры как гладкого региона пространства, в окрестностях которого ничего особенного, вообще говоря, не происходит; представлении о том, что квантовая механика унитарна то есть, в частности, требует сохранения информации , а также о том, что при достаточно низких энергиях на достаточном удалении от самой дыры применимы методы квантовой теории поля. Как разрешить это противоречие, пока никто не знает. Это, кстати, заставляет уже многих ученых ставить под сомнение саму теорию струн. Например, тот же Леонард Зюскинд, которого я упоминал выше, в связи с этим парадоксом выдвинул гипотезу, что, мол, теория струн в современном понимании, возможно, не полностью квантует гравитацию. А мы в это верили многие десятилетия. И это здорово, это именно то, что нужно — пусть не реальные эксперименты, а теоретические, но они заставляют ученых пересматривать теорию. Это чем-то напоминает зеркальную симметрию, о которой мы говорили раньше, только это соответствие более кардинальное. Дело в том, что на первый взгляд между этими теориями нет вообще ничего общего, ничего, что даже отдаленно могло бы их связывать. Но дело даже не в том, что две такие разные теории оказываются одним и тем же. Ее просто нет в уравнениях. А раз нет гравитации, то, значит, нет и проблем с унитарностью — ведь они появляются только в присутствии гравитации. Из этого, например, можно с уверенностью заключить, что всякая квантовая теория гравитации должна быть унитарной. Я даже больше скажу — в ту половину двойственности, которая с гравитацией, можно вписать черную дыру. Но при переходе к суперсимметричной части двойственности черная дыра превращается просто в нагретое скопление частиц. Такой объект, конечно, унитарен. Значит, и черные дыры в теории струн должны быть унитарны и никакая информация никуда не девается. Кроме таких вот теоретических построений эта двойственность где-нибудь еще используется? Да, конечно. Оказалось, например, что если вам нужно работать с кварк-глюонной плазмой этим, в частности, занимаются физики на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Нью-Йорке , стандартные методы теории поля не очень помогают — математика оказывается очень сложной. А в теории струн математика, как ни странно, оказывается проще. То есть эта двойственность помогает при помощи теории струн узнать что-то о частицах. Тут, правда, надо сделать замечание. Но она в некотором смысле близка к действительности — эта близость объясняется высокими температурами. И эта близость позволяет получать результаты, которые остаются верны и на самом деле. В заметке в Quanta Magazine утверждалось, что физикам удалось обнаружить связанный с ней замечательный объект... О, вы говорите про амплитуэдр! Да, про него. Амплитуэдр глазами художника Это очень интересный и важный результат. Дело в том, что может так случиться, что традиционные методы вычислений в квантовой теории поля, разработанные еще самим Ричардом Фейнманом, не оптимальны. Точнее, даже совсем не оптимальны — вычисления можно делать легче и быстрее. В частности, это может объяснить, почему эти самые вычисления такие сложные — редко когда удается посчитать что-то с точностью выше второго-третьего порядков. Авторы работы про амплитуэдр, по сути, пытаются свести расчеты к вычислению объема некоторой очень сложной, красивой, многомерной фигуры. Как вычислить объем такой фигуры? Нужно поместить ее в подходящую многомерную воду и посмотреть на объем, который она вытолкнет. Но если я разобью эту фигуру на миллион кусков, то измерить тот же объем в миллион раз сложнее — нужно померить объем каждого куска и сложить их. Диаграмма Фейнмана Вполне может оказаться, что диаграммы Фейнмана — это и есть разбиение амплитуэдра на куски и последовательное измерение объема каждого из них. А физики под руководством профессора физики Института перспективных исследований в Принстоне Нима Аркани-Хамеда просто хотят вычислить все вещи скопом. В заключение не могу не спросить вас о вашей книге и мультимедийном спектакле «Икар на краю времени». Моя книжка, на основе которой поставлен спектакль, — для детей и немного для родителей. Это довольно сильно отличается от того, что я делал раньше. Это переосмысление древнегреческого мифа об Икаре — мальчике, который вопреки предостережениям своего отца подлетел слишком близко к Солнцу.

Таким образом, физики, работающие в теории струн, оказались в ситуации, когда им приходится искать приближенные решения приближенных уравнений. После нескольких лет поражающего воображение прогресса, достигнутого в течение первой революции теории суперструн, физики столкнулись с тем, что используемые приближенные уравнения оказались неспособными дать правильный ответ на ряд важных вопросов, тормозя тем самым дальнейшее развитие исследований. Не имея конкретных идей по выходу за рамки этих приближенных методов, многие физики, работавшие в области теории струн, испытали растущее чувство разочарования и вернулись к своим прежним исследованиям. Для тех, кто остался, конец 1980-х и начало 1990-х гг. Начнём с начала. Нулевое измерение — это точка. У неё нет размеров. Двигаться некуда, никаких координат для обозначения местонахождения в таком измерении не нужно. Поставим рядом с первой точкой вторую и проведём через них линию. Вот вам и первое измерение. У одномерного объекта есть размер — длина, но нет ни ширины, ни глубины. Движение в рамках одномерного пространства очень ограничено, ведь возникшее на пути препятствие не обойдёшь. Чтобы определить местонахождение на этом отрезке, понадобится всего одна координата. Поставим рядом с отрезком точку. Чтобы уместить оба эти объекта, нам потребуется уже двумерное пространство, обладающее длиной и шириной, то есть, площадью, однако без глубины, то есть, объёма. Расположение любой точки на этом поле определяется двумя координатами. Третье измерение возникает, когда мы добавляем к этой система третью ось координат. Нам, жителям трёхмерной вселенной, очень легко это представить. Попробуем вообразить, как видят мир жители двухмерного пространства. Например, вот эти два человечка: Теория суперструн, популярным языком, представляет вселенную как совокупность вибрирующих нитей энергии — струн. Они являются основой природы. Гипотеза описывает и другие элементы — браны. Все вещества в нашем мире состоят из колебаний струн и бран. Естественным следствием теории является описание гравитации. Именно поэтому ученые считают, что в ней содержится ключ к объединению силы тяжести с другими взаимодействиями. Концепция развивается Теория единого поля, теория суперструн, — сугубо математическая. Как и все физические концепции, она основана на уравнениях, которые могут быть определенным образом интерпретированы. Сегодня никто не знает точно, каким будет окончательный вариант этой теории. Ученые имеют довольно смутное представление об ее общих элементах, но никто еще не придумал окончательного уравнения, охватившего бы все теории суперструн, а экспериментально до сих пор не удалось ее подтвердить хотя и опровергнуть тоже. Физики создали упрощенные версии уравнения, но пока что оно не вполне описывает нашу вселенную. Теория суперструн для начинающих В основе гипотезы положены пять ключевых идей. Теория суперструн предсказывает, что все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии. Она пытается совместить общую теорию относительности гравитации с квантовой физикой. Теория суперструн позволит объединить все фундаментальные силы вселенной. Эта гипотеза предсказывает новую связь, суперсимметрию, между двумя принципиально различными типами частиц, бозонами и фермионами. Концепция описывает ряд дополнительных, обычно ненаблюдаемых измерений Вселенной. Струны и браны Эти суперструны теория делит на два вида — замкнутые и открытые. Открытая струна имеет концы, которые не соприкасаются друг с другом, в то время как замкнутая струна является петлей без открытых концов. В итоге было установлено, что эти струны, называемые струнами первого типа, подвержены 5 основным типам взаимодействий. Взаимодействия основаны на способности струны соединять и разделять свои концы. Поскольку концы открытых струн могут объединиться, чтобы образовывать замкнутые, нельзя построить теорию суперструн, не включающую закольцованные струны. Это оказалось важным, так как замкнутые струны обладают свойствами, как полагают физики, которые могли бы описать гравитацию. Другими словами, ученые поняли, что теория суперструн вместо объяснения частиц материи может описывать их поведение и силу тяжести. Через многие годы было обнаружено, что, кроме струн, теории необходимы и другие элементы. Их можно рассматривать как листы, или браны. Струны могут крепиться к их одной или обеим сторонам. Квантовая гравитация Современная физика имеет два основных научных закона: общую теорию относительности ОТО и квантовую. Они представляют совершенно разные области науки. Квантовая физика изучает мельчайшие природные частицы, а ОТО, как правило, описывает природу в масштабах планет, галактик и вселенной в целом. Гипотезы, которые пытаются объединить их, называются теориями квантовой гравитации. Наиболее перспективной из них сегодня является струнная. Замкнутые нити соответствуют поведению силы тяжести. В частности, они обладают свойствами гравитона, частицы, переносящей гравитацию между объектами. Объединение сил Теория струн пытается объединить четыре силы — электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию — в одну. В нашем мире они проявляют себя как четыре различные явления, но струнные теоретики считают, что в ранней Вселенной, когда были невероятно высокие уровни энергии, все эти силы описываются струнами, взаимодействующими друг с другом. Суперсимметрия Все частицы во вселенной можно разделить на два типа: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между ними существует связь, называемая суперсимметрией. При суперсимметрии для каждого бозона должен существовать фермион и для каждого фермиона — бозон. К сожалению, экспериментально существование таких частиц не подтверждено. Суперсимметрия является математической зависимостью между элементами физических уравнений. Она была обнаружена в другой области физики, а ее применение привело к переименованию в теорию суперсимметричных струн или теория суперструн, популярным языком в середине 1970 годов. Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. Без суперсимметрии уравнения приводят к физическим противоречиям, таким как бесконечные значения и воображаемые энергетические уровни. Поскольку ученые не наблюдали частицы, предсказанные суперсимметрией, она все еще является гипотезой. Эти частицы могли существовать в ранней вселенной, но так как она остыла, и после Большого взрыва энергия распространилась, эти частицы перешли на низкоэнергетические уровни. Другими словами, струны, вибрировавшие как высокоэнергетические частицы, утратили энергию, что превратило их в элементы с более низкой вибрацией. Ученые надеются, что астрономические наблюдения или эксперименты с ускорителями частиц подтвердят теорию, выявив некоторые из суперсимметричных элементов с более высокой энергией. Дополнительные измерения Другим математическим следствием теории струн является то, что она имеет смысл в мире, число измерений которого больше трех. В настоящее время этому существует два объяснения: Дополнительные измерения шесть из них свернулись, или, в терминологии теории струн, компактифицировались до невероятно малых размеров, воспринять которые никогда не удастся. Мы застряли в 3-мерной бране, а другие измерения простираются вне ее и для нас недоступны. Важным направлением исследований среди теоретиков является математическое моделирование того, как эти дополнительные координаты могут быть связаны с нашими. Последние результаты предсказывают, что ученые в скором времени смогут обнаружить эти дополнительные измерения если они существуют в предстоящих экспериментах, так как они могут быть больше, чем ожидалось ранее. Понимание цели 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.

Теория струн: кратко и понятно о сложном. В чем она заключается?

Теория струн рассматривалась как возможная «теория всего», единая структура, которая могла бы объединить общую теорию относительности и квантовую механику, две теории, лежащие в основе современной физики. О чем теория струн? Самое простое и понятное объяснение. Теория струн воспринималась как теория ядерного взаимодействия (в ядре атома удерживаются нейтроны и протоны). Как и любая неподтвержденная теория, теория струн имеет ряд проблем, которые говорят о том, что она требует доработки. Основной проблемой теории струн является её незавершенность, то есть, нет какой-то единой теории, способной объяснить все процессы, происходящие во Вселенной, как например уравнение Эйнштейна для гравитации или уравнение Максвелла для электромагнетизма.

Симфония вселенной: теория струн для начинающих

одно из направлений теоретической физики (можно сказать - физики элементарных частиц). Квантовая теория струн – это фундаментальная теория, которая стремится объединить квантовую механику и общую теорию относительности. 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.

Краткая история теории струн

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? 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.

Например, в теории струн многие аспекты мироздания, которые могут показаться произвольными техническими деталями, такие, как число независимых фундаментальных частиц и их свойства, являются следствием неотъемлемых характеристик геометрии Вселенной. Если теория струн справедлива, микроскопическая структура нашей Вселенной представляет собой сложно переплетенный, многомерный лабиринт, в котором струны Вселенной бесконечно закручиваются и вибрируют, ритмично отбивая законы космоса. Свойства основных кирпичиков мироздания, — будучи совсем не случайными, — глубоко связаны со структурой пространства и времени. В конечном счете, однако, ничто не может заменить четко определенных, поддающихся проверке предсказаний, которые смогут показать, действительно ли теория струн в состоянии поднять завесу тайны, скрывающую глубочайшие истины нашей Вселенной. Может пройти некоторое время, прежде чем наш уровень понимания достигнет глубины, достаточной для достижения этой цели, хотя, как будет показано в главе 9, экспериментальные проверки могут дать сильную и всестороннюю поддержку теории струн в течение ближайшего десятилетия. Более того, в главе 13 мы увидим, что теория струн недавно позволила решить одну из центральных проблем черных дыр, связанную с так называемой энтропией Бекенштейна— Хокинга, задачу, которая более двадцати пяти лет упорно сопротивлялась решению более традиционными методами. Этот успех убедил многих в том, что теория струн дает глубочайшее понимание того, как устроена Вселенная. 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 же самое полное воплощение мечты о единстве мира! Все известные нам частицы и переносчики взаимодействий — колебательные моды с наименьшей энергией. Хотя число различных колебательных мод бесконечно, лишь немногим из них соответствуют малые массы и заряды. Остальные должны иметь гигантские массы порядка 10-5 грамм — это огромная величина в масштабах микромира! На наших ускорителях родить таких гигантов мы еще долго не сможем. Но они рождались на ранних стадиях Вселенной , когда энергия была в избытке. Теория струн естественно включает в себя и гравитацию с ее гипотетическим переносчиком — гравитоном. Вместо четырех фундаментальных взаимодействий она предлагает единое взаимодействие струн.

Все струны одинаковы, а все наблюдаемые частицы и кванты полей суть различные типы колебаний этих струн. Струна принципиально не может иметь размер меньше планковской длины. В теории точечных частиц физики привыкли, что чем больше энергия частицы, тем в меньшей области пространства частица может быть локализована. Совсем иное дело со струнами: дополнительная энергия приводит не к уменьшению, а к увеличению размера струны. Поэтому расстояние, которое меньше планковской длины, принципиально недостижимо. 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.

Теория струн, или Теория всего

Теория струн, или Теория всего. В теории струн мироздание похоже на невероятно малые, вибрирующие нити энергии, способные извиваться, растягиваться и сжиматься. Антропный принцип в теории струн. Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации. Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений.

Новости теория струн кратко и понятно