Оказалось, что теория струн замечательно может свести все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной к одному — колебанию одномерной струны с соответствующим переносом энергии. В теории струн каждая струна колеблется так же, в зависимости от влияющих на нее факторов. Теория струн — это теория о том, что фундаментальными составляющими Вселенной являются одномерные "струны", а не точечные частицы (как это принято наукой). Действительно, теория струн способна объединить квантовую теорию и гравитацию, но сделать это, как оказалось, можно пятью способами.
Войти на сайт
В качестве решения проблемы структуры частиц в середине прошлого века была предложена теория струн. В ней все частицы состоят из мельчайших «петель» — струн размером всего лишь 10-33 см. В настоящий момент указаний на существование струн получено не было, но это легко объяснить: современные технические возможности просто не позволяют исследовать столь малые объекты. Что, собственно, физики уже давно и с успехом наблюдают.
Как по нотам Петли, составляющие частицы, не просто парят в пространстве. В теории струн они колеблются, причем множеством различных способов. В игре на гитаре в зависимости от толщины и длины струны последнюю мы регулируем, зажимая пальцами музыкант воспроизводит разные ноты.
Разные колебания микрострун, в свою очередь, соответствуют разным частицам. Таким образом теория струн даёт единый способ описания всех видов материи. Почему теория струн нравится физикам Замена частиц на соответствующие им струны приводит к некоторым крайне важным следствиям.
Изучив свойства колеблющейся петли, ученые пришли к выводу, что они удивительно схожи с характеристиками гравитона — на данный момент не открытой частицы, которой отводится роль переносчика гравитации. Теория струн, имеет все шансы разрешить главный спор в физике XX века — включить гравитационное взаимодействие в Стандартную модель.
Объяснение материи и массы Одна из основных задач современных исследований — поиск решения для реальных частиц. Теория струн начиналась как концепция, описывающая такие частицы, как адроны, различными высшими колебательными состояниями струны. В большинстве современных формулировок, материя, наблюдаемая в нашей вселенной, является результатом колебаний струн и бран с наименьшей энергией. Вибрации с большей порождают высокоэнергичные частицы, которые в настоящее время в нашем мире не существуют.
Масса этих элементарных частиц является проявлением того, как струны и браны завернуты в компактифицированных дополнительных измерениях. Например, в упрощенном случае, когда они свернуты в форме бублика, называемом математиками и физиками тором, струна может обернуть эту форму двумя способами: короткая петля через середину тора; длинная петля вокруг всей внешней окружности тора. Короткая петля будет легкой частицей, а большая — тяжелой. При оборачивании струн вокруг торообразных компактифицированных измерений образуются новые элементы с различными массами. Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Свернутые измерения здесь гораздо сложнее тора, но в принципе они работают также.
Возможно даже, хотя это трудно представить, что струна оборачивает тор в двух направлениях одновременно, результатом чего будет другая частица с другой массой. Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей. Определение пространства и времени Во многих версиях теория суперструн измерения сворачивает, делая их ненаблюдаемыми на современном уровне развития технологии. В настоящее время не ясно, сможет ли теория струн объяснить фундаментальную природу пространства и времени больше, чем это сделал Эйнштейн. В ней измерения являются фоном для взаимодействия струн и самостоятельного реального смысла не имеют. Предлагались объяснения, до конца не доработанные, касавшиеся представления пространства-времени как производного общей суммы всех струнных взаимодействий.
Такой подход не отвечает представлениям некоторых физиков, что привело к критике гипотезы. Конкурентная теория петлевой квантовой гравитации в качестве отправной точки использует квантование пространства и времени. Некоторые считают, что в конечном итоге она окажется лишь другим подходом ко все той же базовой гипотезе. Квантование силы тяжести Главным достижением данной гипотезы, если она подтвердится, будет квантовая теория гравитации. Текущее описание силы тяжести в ОТО не согласуется с квантовой физикой. Последняя, накладывая ограничения на поведение небольших частиц, при попытке исследовать Вселенную в крайне малых масштабах ведет к возникновению противоречий.
Унификация сил В настоящее время физикам известны четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнитная, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Из теории струн следует, что все они когда-то являлись проявлениями одной. Согласно этой гипотезе, так как ранняя вселенная остыла после большого взрыва, это единое взаимодействие стало распадаться на разные, действующие сегодня. Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединение этих сил, хотя такие опыты находятся далеко за пределами текущего развития технологии. Пять вариантов После суперструнной революции 1984 г. Физики, перебирая версии теории струн в надежде найти универсальную истинную формулу, создали 5 разных самодостаточных варианта.
Это, с одной стороны, усилило интерес к изучению возможных, но не реализованных типов устройства мироздания, а с другой — сблизило постановку задачи исследования в физике и математике. Естественным следствием такого подхода стало представление о нашей Вселенной как об одной из многих возможных, что нашло выражение в гипотезе Мультиленной Multiverse и в антропном принципе. На более простом уровне теория струн побудила к поиску аналогий между моделями квантовой теории, используемыми в различных областях физики, но принадлежащими одному классу универсальности.
Это со временем может привести к широкому применению аналоговых экспериментов и уже вызвало бурное развитие компьютерных методов физики в качестве дополнения к обычным прямым экспериментам. В узком смысле термин «теория струн» применяется для конкретного обобщения стандартной КТП, в которой точечные частицы заменены одномерными струны или многомерными браны протяжёнными объектами, взаимодействие между которыми происходит в отдельных точках. Это позволяет избежать нарушения принципа причинности.
Даже простейшие модели такого рода включают в себя все фундаментальные законы природы, объединяя электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия с гравитацией и решая проблему неперенормируемости квантовой теории гравитации.
Однако ученые заметили, что в спектре струны возникали частицы, которые имели те же свойства, что и фотоны в случае открытой струны , и гравитоны в случае замкнутой струны. Так и возникла идея попробовать применить создаваемую теорию для описания гравитации и других фундаментальных теорий, а не к описанию поведения адронов — частиц, возникающих в ядерных реакциях. Футурология Загадочные частицы: что ученые знают о космических лучах 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. Тогда и началась так называемая «струнная революция». Около 20 лет эта концепция была основным локомотивом развития фундаментальной физики. Существовала надежда, что она объяснит не только природу всех элементарных частиц, но и размерность того пространства-времени, в котором мы живем. Важно также, что появлялся единый общий взгляд на все существующие типы частиц.
Однако не все чаяния оправдались, поэтому где-то в 2000-х годах интерес к теории струн начал угасать, и сейчас ажиотаж стих. Тем не менее, теория струн обогатила физику и математику методами вычисления, новыми фактами и формулами. Теория струн правда предсказывает дополнительные измерения в пространстве-времени? Теория суперструн может быть сформулирована логически непротиворечиво только в 10 измерениях — в 9 пространственных и одном временном. Наш же мир является четырехмерным. Кажущееся противоречие в рамках теории струн объясняется тем, что каждая точка нашего трехмерного пространства имеет структуру, которую можно увидеть, только если смотреть в очень мощный микроскоп.
Теория струн и квантовая механика
Теория струн — это теория о том, что фундаментальными составляющими Вселенной являются одномерные "струны", а не точечные частицы (как это принято наукой). Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано[7], связанных со струнными моделями строения адронов. В своей основе Теория струн отрицает теорию Большого взрыва и утверждает, что Вселенная существовала всегда. В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. Теория струн кратко и понятно. Видео от пользователя.
Теория струн. Что это?
Как бы то ни было, мозголомка по всему миру продолжается, пока ты сидишь в интернетах. Вины[ править ] Mузыкальное произведение, популяризирующее теорию струн и демонстрирующее какие проблемы привели к её появлению Ясен пень, что никто не стал бы мучиться с этой вашей непонятной теорией, если бы она не обладала большими плюсами в глазах физиков. И таковые действительно есть, причём какие! Прекращение борьбы бобра с ослом. На протяжении ХХ века бобро в лице ОТО и осло в лице квантовой механики цапались друг с другом, причиняя неистовый butthurt физикам.
Как написано выше, теория струн нашла способ их помирить — не без обработки напильником, конечно, но осло по крайней мере перестало люто стремиться уничтожить бобро. Избавление от сингулярности. За что физики особенно благодарны теории струн — это за то, что ей в определённом смысле удалось укротить такое чудовище, как сингулярность, то есть возникающую по уравнениям ОТО бесконечную кривизну пространства-времени в экстремальных условиях например, в чёрных дырах или во время Большого взрыва. Теория струн утверждает, что никакой сингулярности не будет, ибо вся Вселенная имеет минимальный размер сжатия так называемый планковский размер , после которого она автоматически «вывернется наизнанку» и вновь начнёт расширяться.
Точнее, продолжит сжиматься, но со стороны это будет выглядеть как расширение. Шанс стать Единой теорией. Физики полагают, что это одна из конечных целей физики как науки. Фейлы и трудности[ править ] M-теория таки идёт к успеху , но пока ещё не пришла, и у неё много своих проблем, при упоминании которых физики прикладывают руку к лицу.
Сверхсложная высокость. Уравнения теории струн и уж тем более её последнего релиза — M-теории настолько сложны, что физики большей частью оперируют только их приближёнными формами. Что, конечно, не ведёт к повышению точности результатов. Более того, часто складывается такая ситуация, что для решения этих уравнений даже соответствующих математических методов-то не создано, и приходится придумывать всё на лету.
Ёбаный стыд. Только этот стыд, собсно, не к самой теории струн, а к нынешнему состоянию математики. Уж пару веков старая добрая ньютоновская небесная механика никаких вам струн поставила общую задачу трех тел , а фиг ли толку? Или вот уравнения Навье — Стокса для турбулентных потоков — старая добрая классическая гидродинамика, двести лет отроду.
За доказательство существования и гладкости решения даже не за само решение! Что символизирует. Практически везде, где физика уперлась в тупик, на самом деле в тупик уперлась математика. И в теории струн — тем более, ибо она там сложнее, чем где бы то ни было.
И эта проблема служит источником двух других. Экспериментальный вакуум. Главный косяк теории — то, что она описывает явления на таких малых масштабах, что напрямую экспериментально подтвердить её основные утверждения невозможно. И никогда не будет возможно — для этого нужен не страшный ужасный адронный коллайдер длиной 27 километров, а ускоритель размером примерно с видимую Вселенную.
Само по себе это не приговор — нужно только вывести косвенные наблюдаемые следствия. Вот теория великого объединения , например, предсказывает распад протона с ненулевой вероятностью — и физики надеются, загоняя в подземные резервуары туеву хучу тонн воды, что какой-нибудь протон, на глазах у их детекторов, таки распадется. Физика питается косвенными свидетельствами — в конце концов, как электроны движутся вокруг ядра, тоже никто до недавнего времени ни в какой микроскоп не видел, и ускорителей тогда тоже не было. Проблема в том, что выводить наблюдаемые следствия из уравнений теории струн при их нынешнем математическом состоянии — задача для волшебников.
А без математического прорыва и прямого эксперимента в теории струн иногда в ход идут такие хитровыебанные аргументации, что любой продажный адвокат пожал бы физикам руку. Элементарные частицы, дополнительные измерения и некто Карл Поппер. Десятимерная теория струн на более привычных масштабах должна, естественно, сводиться к известной и ОЧЕНЬ хорошо проверенной физике элементарных частиц. Но, как выясняется, способов такого сведения существует по меньшей мере 10100 , хотя не исключено, что и 100500 , а то и вовсе бесконечность.
При этом каждая из получившихся четырёхмерных теорий описывает свой собственный мир, который может быть похож на реальность, а может и принципиально отличаться от нее. Проблема здесь в том, что свойства частиц считаются способом колебания струн, а возможные способы колебания струн зависят от точной геометрии дополнительных измерений. Но существующим приближенным уравнениям удовлетворяет туева хуча разных геометрий. То есть эти уравнения были бы справедливы не только в нашем мире, но и в туевой хуче других миров, а возможно — в любом мире.
Будь эти приближенные уравнения окончательными, это был бы тотальный экстерминатус в связи с нефальсифицируемостью по Попперу, то есть признаком ненаучности теории. А так — хвост пистолетом и искать точные уравнения. Квантовая гравитация[ править ] Основным результатом теории струн ну или М-теории, всем похуй принято считать возможность проквантовать гравитацию. Ясно дело , что кроме теории струн есть ещё и другие способы эту вашу гравитацию квантовать, которые убоги каждый в чем-то.
Поэтому надо тут остановиться подробнее. Квантовая теория поля учит нас, что все взаимодействия между частицами можно представить в виде картинок, диаграмм Фейнмана. Например взаимодействие электрона и позитрона можно нарисовать в виде диаграммы справа, как обмен одним фотоном. Электрон и позитрон взаимодействуют, обмениваясь фотоном Но это только так называемое древесное приближение — на деле эта диаграмма даёт лишь классическую теорию, а квантовые эффекты появятся, если мы будем рисовать петли.
Петлевые поправки к взаимодействию между электронами На этих диаграммах волнистая линия — фотон, прямые линии — электрон и позитрон. Но все это можно рисовать для любого взаимодействия. Ты, анон, уже догадался, что этих петель можно рисовать чуть более, чем дохуя. А именно, бесконечно.
Каждая такая картинка соответствует совершенно невменяемому выражению, включающему в себя интегралы, логарифмы и прочую матаническую поебень.
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.
Объединение сил Теория относительности изучает большие объекты всей вселенной, квантовая механика фокусируется на крошечных объектах, субатомных частицах. Причем в физике нет четкого объяснения, как гравитация влияет на эти субатомные частицы. Теория струн предположительно решает эту проблему и стремится описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации.
Основные этапы ее развития: 1943—1959 гг.
Появилось учение Вернера Гейзенберга об s-матрице, в рамках которого предлагалось отбросить понятия пространства и времени для квантовых явлений. Гейзенберг впервые обнаружил, что участники сильных взаимодействий представляют собой протяженные объекты, а не точки; 1959—1968 гг. Были обнаружены частицы с высокими спинами моментами вращения. Итальянский физик Туллио Редже предложит группировать квантовые состояния в траектории которые были названы его именем ; 1968—1974 гг.
Гарибрэле Венециано предложил модель двойного резонанса для описания сильных взаимодействий. Есиро Намбу развил эту идею и описал ядерные силы как вибрационные одномерные струны; 1974—1994 гг. Открытие суперструн, во многом благодаря работам российского ученого Александра Полякова; 1994—2003 гг. Появление М-теории, допустила большее, чем 11, количество измерений; 2003 — н.
Майкл Дуглас разработал ландшафтную теорию струн с понятием ложного вакуума.
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. Авторы данной работы решили поступить наоборот. Предположив, что струнная теория поля верна, они использовали ее, чтобы попытаться подтвердить саму квантовую механику. В работе, которая переформулирует струнную теорию поля на более ясном языке, Ицхак Барс и Дмитрий Рычков показали, что набор фундаментальных принципов квантовой механики, известных как «правила коммутации» принципы неопределенности , могут быть получены из геометрии слияния и расщепления струн.
Теория струн, или Теория всего
Группа симметрии отличается от предыдущей теории типа HO. Этот тип также имеет важные математические различия в отношении группы симметрии. Дополнительные измерения Теории струн требуются дополнительные измерения: говорится о добавлении по меньшей мере 6 измерений к 4 известным всего 10 измерений. В ней также предусмотрены способы связать большие дополнительные измерения с малыми. Мы знаем три измерения, что нас окружают — те, которые определяют длину, ширину и глубину всех объектов оси x, y и z соответственно. Четвёртое измерение — это время, оно определяет свойства всей известной материи в любой заданной точке. Кто открыл теорию струн?
Основателем теории струн, ключевым теоретиком, стоящим за самыми ранними моделями, считается итальянский физик-теоретик Габриеле Венециано родился в 1942 г.
Теория струн стала вмиг популярна, потому что она выступила объединяющим мостиком между квантовой механикой и общей теорией относительности, которые имели противоречия и никак не могли ужиться друг с другом. Объяснить все и сразу — это была давняя мечта Эйнштейна и многих других ученых, осознававших, что существующие теории не решают всех загадок макро- и микромира. Некоторые даже думали, что все законы физики возможно объяснить одним уравнением — осталось лишь догадаться, что это за формула. Почти приблизились к этому Джоэль Шерк и Джон Шварц. Позже они с обидой говорили, что теория струн изначально потерпела неудачу потому, что физики недооценили ее масштаб. Игры нашего разума Какая польза от этих знаний, спросите вы? Ну, во-первых, она раздвигает границы воображения.
Люди задумались над тем, что мир может быть устроен совсем не так, как кажется: возможно, Вселенная суперсимметрична и имеет 11 измерений. Не исключено, что есть частицы, которые еще не открыты и мы о них не догадываемся. Теория струн — это лишь теоретическая физика, отталкивающаяся от математических расчетов и родившаяся из любопытства ученых, любящих задавать вопрос «А что, если?.. Несколько досадных нестыковок и противоречий мешают ее сторонникам спать по ночам и восклицать на публику: «Осанна! Мы наконец-то объяснили все! Текст: Евгения Шмелева На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc.
Применительно к теории струн регулярно вспоминают теорию Янга-Миллса с ней связан один из вопросов , за решение которых Математический институт Клэя обещал миллион долларов. Расскажите, что это такое? В 50-е годы прошлого века ученые обнаружили тогда без участия идей из теории струн , что уравнения для описания сильного и слабого взаимодействия в квантовой механике можно записать в особой симметричной форме. Симметрии, о которых идет речь, напоминают симметрии снежинки — если ее поворачивать на некоторый угол, то она переходит сама в себя. Так же и эти уравнения после определенного «поворота» оказывались такими же. Такой подход оказался очень удобным, и физикам удалось много чего посчитать с его помощью. Сами Янг, Миллс и их последователи смогли заложить единую и очень изящную с математической точки зрения основу для Стандартной модели. Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений. То есть пойди история теоретической физики немного по-другому вполне возможно, так и произошло где-нибудь на другой планете или в другой Вселенной , теория Янга-Миллса была бы обычным следствием теории струн. То есть этот факт можно рассматривать как теоретическое а не экспериментальное подтверждение теории струн? В некотором смысле — да. В такую игру с теорией струн можно играть достаточно долго: из теории струн естественным образом вытекает теория Янга-Миллса, разного рода дискретные симметрии, играющие важную роль в квантовой механике. Теория струн также позволяет объяснить, почему элементарные частицы объединяются в семейство — например, фермионы и бозоны. То есть многое из того, что приходилось добавлять в уравнения вручную, исходя из экспериментальных соображений, в теории струн возникает само собой. Это не является, конечно, доказательством истинности теории, но с математической точки зрения означает, что теория включает в себя все, что мы знали до сих пор. У квантовой механики есть множество интерпретаций — копенгагенская, многомировая, теория квантовой информации и прочие. У них имеется общий математический аппарат, однако они кардинально различаются в описании того, что представляет собой реальность. Есть ли такие же интерпретации у теории струн? Во-первых и это, конечно, тема для совершенно отдельного и большого разговора, совсем не связанного с темой нашей беседы , я бы не согласился с первой частью вашего утверждения. Различные интерпретации квантовой механики различаются не только на уровне интерпретации, но и на уровне механики, которую они используют. Точнее, аккуратно определяя квантовую механику в рамках той или иной интерпретации, вы обнаружите, что эти интерпретации либо некорректно определены, либо дают разные теории. Они могут отличаться как предсказаниями, так и в онтологическом смысле — то есть они расходятся в том, что реально, а что — нет. Например, копенгагенская интерпретация не полна — она не говорит, что происходит во время так называемого коллапса волновой функции, вызванного наблюдением. Многомировая интерпретация и теория де Бройля-Бома дают различные уравнения для описания квантового мира. Поскольку теория струн использует квантовую механику, то, с одной стороны, последняя никак не меняется. С другой стороны, если в квантовой механике есть какие-то вопросы, которые нужно интерпретировать, то они есть и в теории струн. Все эти многомировые и прочие вещи тут присутствуют в полной мере. Сама же теория при этом никаких дополнительных факторов, требующих интерпретации, не привносит. 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.
Из-за этого ученые полагают, мы их и не можем обнаружить. Книгу Брайан писал до постройки Большого адронного коллайдера, но уже знал, что такой ускоритель строится. Он, и много других ученых, возлагали надежду обнаружить суперпартёры этим ускорителем, но пока положительных результатов нет. Да и быть не должно: там частицы разбиваются, а не собираются. Так что это предсказание пока ничем не подтверждено. Второе предсказание. Частицы с дробным электрическим зарядом. Ну а это, то что частица может обладать дробным зарядом, для тех, кто знает, что ускоряемая частица излучает и поглощает это является послесказанием, а не предсказанием. Излучившая частица потеряла часть заряда и массы, а поглотившая частица прибавила в заряде и массе. А величины этих изменений можно и посчитать. Для тех, кто этого не знал, выводы теории о дробности можно считать предсказанием. Некоторые более отдалённые перспективы. Еще одно предсказание в теории струн Виттен увидел такое. Он предположил, что некоторые струны могут быть гигантских размеров, и они могут быть зарегистрированы астрономами. Ладно, пусть регистрируют. А может это и зарегистрировал LIGO? А мы все это свалили на гравитацию. Есть еще 5 примеров возможных предсказаний. Брайан полагает, что если бы эксперимент показал, что масса нейтрино отлична от нуля, то теория струн могла бы это объяснить, чего не может сделать другая теория, в частности стандартная модель. Группа квантов объединяется в фотон.
Теория струн простым языком
Но существующим приближенным уравнениям удовлетворяет туева хуча разных геометрий. То есть эти уравнения были бы справедливы не только в нашем мире, но и в туевой хуче других миров, а возможно — в любом мире. Будь эти приближенные уравнения окончательными, это был бы тотальный экстерминатус в связи с нефальсифицируемостью по Попперу, то есть признаком ненаучности теории. А так — хвост пистолетом и искать точные уравнения. Квантовая гравитация[ править ] Основным результатом теории струн ну или М-теории, всем похуй принято считать возможность проквантовать гравитацию. Ясно дело , что кроме теории струн есть ещё и другие способы эту вашу гравитацию квантовать, которые убоги каждый в чем-то. Поэтому надо тут остановиться подробнее.
Квантовая теория поля учит нас, что все взаимодействия между частицами можно представить в виде картинок, диаграмм Фейнмана. Например взаимодействие электрона и позитрона можно нарисовать в виде диаграммы справа, как обмен одним фотоном. Электрон и позитрон взаимодействуют, обмениваясь фотоном Но это только так называемое древесное приближение — на деле эта диаграмма даёт лишь классическую теорию, а квантовые эффекты появятся, если мы будем рисовать петли. Петлевые поправки к взаимодействию между электронами На этих диаграммах волнистая линия — фотон, прямые линии — электрон и позитрон. Но все это можно рисовать для любого взаимодействия. Ты, анон, уже догадался, что этих петель можно рисовать чуть более, чем дохуя.
А именно, бесконечно. Каждая такая картинка соответствует совершенно невменяемому выражению, включающему в себя интегралы, логарифмы и прочую матаническую поебень. Но самый пиздец в том, что каждое из этих выражений само по себе равно бесконечности. И тут хитрый расовый американский еврей Ричард Фейнман с дружками придумали, как обмануть общественность и бесконечности спрятать как он сам выразился, под ковер. Эта процедура наебки называется перенормировкой квантовой теории поля. И если теорию можно вот так вот перенормировать, то она считается адекватной и называется перенормируемой.
Всю эту хреноту можно с успехом повторить и для ОТО ровно до момента перенормировки. Ибо гравитации вообще до пизды все эти ваши процедуры, и бесконечности прут со все новой силой. Тут физики разом охуели и сделали Квантовую Гравитацию своим священным Граалем. Ясно дело, все остальные взаимодействия успешно квантуются и перенормируются, кроме гравитации это связано с тем, что у всех векторных бозонов спин равен 1, а у гравитона 2. Чтобы справиться с непокорной гравитацией, физики стали придумывать разные обходные пути к ее квантованию. Во-первых, напридумывали кучу других гравитаций с целью сделать формулы похожими на формулы в других теориях: калибровочная теория гравитации, теория Макдауэлла-Манзури-Штелле-Веста Macdowell-Mansoure-Stelle-West и т.
А во-вторых, стали думать, как ее, родимую, квантовать правильно. Например, петлевая квантовая гравитация учит нас, что пространство на малых расстояниях состоит из маленьких ячеек-петель данное учение находится на полпути к фейлу — впрочем, что пытались опровергнуть опровергатели , они и сами толком не знают. Можно представить себе, например, двумерную поверхность, сотканную из треугольников. Главная фишка этой самой петлевой квантовой гравитации в том, что пространство и время теперь становятся объектом квантования. Мы помним, что обычная квантовая механика пространство-время не трогает и рассматривает его как фон. А тут пространство само себя создает из этих треугольников.
Причем интересно, что эта система сама может себе выбирать размерность, складываясь из двумерного листика в нечто объемное. Это можно увидеть дома, скомкав лист бумаги, он из двухмерной фигуры превратится в трехмерное тело. Перенормируемость а точнее уже конечность диаграмм гарантируется конечным размером этих петель. Другая возможность квантовать гравитацию — супергравитация. Как было уже сказано выше, суперсимметрия — это равное количество фермионов и бозонов. И оказывается чудо!
То есть, супергравитация вообще конечна. Зато она говорит о существовании каких-то новых фермионов, которых никто не видел и которых ищут на БАКе. Update: на самом деле давно известно, что супергравитация таки не является ни конечной, ни перенормируемой, а значит сама-по-себе в смысле квантования ничем не лучше обычной гравитации пруф: [1] Интересно, что супергравитация получается как предел низких энергий из М-теории. Алсо[ править ] Профессор Фарнсворт из Футурамы разбирается в сабже — в серии Mars University он читает курс лекций по предмету с подозрительным названием «Суперпуперсимметричная струнная теория», на который никто не ходит, кроме Фрая. Теория струн — направление исследований Шелдона Купера из сериала Теория большого взрыва. Шелдон свято верит, что теория станет в итоге Единой теорией, и люто, бешено ненавидит сторонников альтернативного подхода — теории петлевой квантовой гравитации в лице Лесли Уинкл.
Миша Вербицкий в пояснительной записке к сочиненной им программе изучения математики утвеждает, что «математика лишь постольку интересна, поскольку она связана со струнной теорией; это базовое предположение, которое я не хочу сейчас обсуждать». Небезызвестный Кастанеда , пребывая чуть более чем полностью в состоянии накурки, видел Вселенную как бесконечное скопище светящихся струн. В сабже хорошо разбирается Верданди — её родной мир десятимерен, о чём она не раз говорила. А разрушение суперструны, по её словам, может привести к БП. Этот момент попал и в аниме — см. Также присутствует эффект «сокращения света».
В одной из книг А. Стругацких «За миллиард лет до конца света» герой Малянов придумывает М-полости, что кагбэ намекает нам буква М означает Малянов, то есть «полости Малянова», и к струнной теории имеет мало отношения. В их же расово верном романе « Пикник на обочине » с Зоны дербанили некие «черные брызги», которые предположительно представляли собой вселенные, пространство-время которых в гравитационном поле Земли сворачивается в комочек. Энтони Гарретт Лиси — сёрфер-любитель, живущий в трейлере на острове Мауи — предложил « Исключительно простую теорию всего », без единой струны поясняющую почти весь мир. Многие суперструнные физики утверждают , что теория Лиси — говно, и что Лиси ничего не понимает в теориях всего.
В физике если от идеи отказываются, то отказываются обычно навсегда. Однако тут произошло удивительное: оказалось, что если использовать идею струн в другом контексте, не как Вененциано — для описания, скажем, не взаимодействия частиц, а гравитационного взаимодействия, то она вроде бы на первый взгляд отлично справляется с задачей. Более того, оказалось, что «струнный» подход позволял объединить квантовую механику и гравитацию в единую схему работы. То есть претендовал на звание теории всего. Это произошло примерно в 1974 году. Еще 10 лет ушло на то, чтобы построить непротиворечивый математический аппарат этой теории, то есть чтобы уравнения, грубо говоря, не противоречили друг другу и в определенном смысле не самоуничтожались. Сделано это было силами Майкла Грина и Джона Шварца. Поэтому именно 1984 год можно считать временем появления теории струн на «карте» физики. В Стандартной модели — теории, описывающей взаимодействие элементарных частиц, — есть параметры, которые невозможно вычислить теоретически. Например, массу бозона Хиггса. Для определения этих параметров и приходится строить ускорители, лаборатории и прочее. Скажите, какие параметры такого рода существуют в теории струн? Удивительное свойство теории струн заключается в том, что она не содержит свободных параметров. То есть все числа выводятся непосредственно из теории. Из-за этого может показаться, что теория струн — теория с самым большим, так сказать, предсказательным потенциалом за всю историю физики. Но это совсем не так. Теория струн требует наличия дополнительных измерений, которые должны быть устроены довольно хитрым образом. Например, они компактифицированы — то есть свернуты особым образом до достаточно малых размеров. Изначально была мысль, что устройство этих измерений будет некоторым образом следовать из формул, которые у нас есть. Но вывести эти свойства нам пока не удалось. Более того, есть определенная убежденность, что и не удастся. То есть в каком-то смысле свободные параметры Стандартной модели превращаются в свободу выбора геометрии дополнительных измерений. И эта свобода выбора может оказаться фундаментальным свойством теории струн. Двумерная проекция трехмерного многообразия Калаби-Яу Эта проекция дает представление о том, как сложно устроены дополнительные измерения. Что было дальше? Почти с самого начала ученые воспринимали всерьез только одну версию теории струн — суперсимметричную то есть теорию суперструн — прим. Она включала в себя не только идеи, заложенные в оригинальных работах 1960-1970 годов, но и позволяла описывать частицы материи. Это, конечно, усложнило уравнения, но позволило создать теорию, которая не только объединила гравитацию и квантовую механику, но и добавила в эту смесь материю. Ведь всякая разумная теория должна включать в себя материю. Есть расхожее мнение, что теорию струн невозможно проверить экспериментально. Например, определить форму дополнительных измерений. Насколько верно это утверждение? Ответ на первую часть вашего вопроса довольно прост: экспериментальная проверка теории струн возможна. Просто у нас пока нет достаточно мощных ускорителей. Ведь если столкнуть частицы с достаточно высокой энергией планковской энергией, если быть точным, то есть порядка 1019 гигаэлектронвольт , то картина рассеивания будет отличаться от той, которую предсказывают существующие методы. То есть здесь нет такого, что теорию невозможно проверить. В теории — можно, просто очень сложно. Здесь может помочь астрофизика? В физике элементарных частиц она, случается, помогает. Конечно, может. Некоторое время назад, например, мы с коллегами написали работу, в которой — при определенных предположениях такие предположения нужны, чтобы можно было что-то посчитать — как уже говорилось, какие-то детали теории нам, вообще говоря, неизвестны — оказывалось, что в реликтовом излучении должен быть своего рода «отпечаток». Его не нашли. Я бы и рад сказать, что теория струн неверна, однако отсутствие предсказанного нами рисунка означает только то, что неверны наши технические предпосылки. И это снова возвращает нас к тому, что с точки зрения математики мы пока понимаем теорию не в полной мере и не обладаем оборудованием для проверки теории без каких-либо дополнительных предположений. Кадр из сериала «Теория большого взрыва» Шелдон Купер, один из главных героев сериала «Теория большого взрыва», является специалистом по теории струн Зачастую разные ученые под теорией струн могут понимать разные вещи. Верно ли, что за этой вывеской скрывается несколько теорий? Я прекрасно понимаю, о чем вы говорите, но я бы так не сказал. Я бы сформулировал это по-другому: теория струн — это единый теоретический инструмент, позволяющий формулировать модели того, как Вселенная в принципе может работать. При этом какого-либо критерия отбора модели, имеющей отношение к нашей конкретной Вселенной, у нас нет. Есть идея, что так получилось, потому что каждая из этих моделей в некотором смысле реальна — просто она описывает какую-то другую Вселенную, где-то там, далеко. Такая вот радикальная интерпретация наших неудач. Применительно к теории струн регулярно вспоминают теорию Янга-Миллса с ней связан один из вопросов , за решение которых Математический институт Клэя обещал миллион долларов. Расскажите, что это такое? В 50-е годы прошлого века ученые обнаружили тогда без участия идей из теории струн , что уравнения для описания сильного и слабого взаимодействия в квантовой механике можно записать в особой симметричной форме. Симметрии, о которых идет речь, напоминают симметрии снежинки — если ее поворачивать на некоторый угол, то она переходит сама в себя. Так же и эти уравнения после определенного «поворота» оказывались такими же. Такой подход оказался очень удобным, и физикам удалось много чего посчитать с его помощью. Сами Янг, Миллс и их последователи смогли заложить единую и очень изящную с математической точки зрения основу для Стандартной модели. Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений. То есть пойди история теоретической физики немного по-другому вполне возможно, так и произошло где-нибудь на другой планете или в другой Вселенной , теория Янга-Миллса была бы обычным следствием теории струн. То есть этот факт можно рассматривать как теоретическое а не экспериментальное подтверждение теории струн? В некотором смысле — да. В такую игру с теорией струн можно играть достаточно долго: из теории струн естественным образом вытекает теория Янга-Миллса, разного рода дискретные симметрии, играющие важную роль в квантовой механике. Теория струн также позволяет объяснить, почему элементарные частицы объединяются в семейство — например, фермионы и бозоны. То есть многое из того, что приходилось добавлять в уравнения вручную, исходя из экспериментальных соображений, в теории струн возникает само собой. Это не является, конечно, доказательством истинности теории, но с математической точки зрения означает, что теория включает в себя все, что мы знали до сих пор.
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. 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?
Теория струн кратко и понятно стивен Хокинг. Кратко и понятно о теории струн Теория струн - это одна из самых прогрессивных теорий современной физики, претендующая на звании "теории всего", то есть такой теории, которая способна объяснить сущность мироздания на самом фундаментальном уровне. Сегодня эта теория является главной темой большинства научно-популярных передач и книг по физике. Она не дает покоя всем людям, интересующимся наукой на любительском и профессиональном уровне. Разобраться в ней крайне сложно даже самим физикам. И тем не менее, давайте все-таки попытаемся понять в чем же суть и величии данной теории. Но для этого нам придется отправится на несколько веков назад в историю науки… Яблоко здесь ни при чем Еще в XVII веке величайший ученый, чье имя известно всем и каждому - Исаак Ньютон, заложил основы классической механики. Он показал, что есть некое абсолютное, неизменное пространство и время, в рамках которых протекают все процессы. Ньютон даже вывел три закона, объясняющие как именно функционирует наш мир, показал как работает сила притяжения гравитация. Однако, не сумел объяснить ее суть… Так вот почему он показывал всем язык! В начале XX века другой, не менее известный и гениальный ученый Альберт Эйнштейн решил завершить дело, начатое Ньютоном - объяснить что есть гравитация. Но в ходе своих исследований Эйнштейн увидел, что не только сущность гравитации представляет собой серьезную проблему, но и сами пространство и время не являются такими уж абсолютными и неизменными. В этом и заключается Теория относительности: пространство и время могут изменяться, искривляться и происходит это под действием массы тела, а также во многом зависит от скорости движения объекта чем ближе к скорости света, тем медленнее идет время. Отсюда был сделан вывод и о гравитации: гравитация есть не какая-то загадочная "сила притяжения", а всего лишь навсего искривление пространства! Так, Ньютон показал как функционирует механика в нашем, земном мире, Эйнштейн объяснил по каким законам живет космос. И все бы ничего, но тут в дело вмешалась квантовая физика… Квантовое безобразие Ученые от квантовой физики, в свою очередь, совсем не кстати для Эйнштейна, показали, что свои, совершенно особые законы действуют не только в макромире космосе , но и в микромире. А самый главный ночной кошмар физиков заключается в том, что законы макромира теория относительности и законы микромира квантовая механика друг с другом не сочетаются и даже взаимно исключают друг друга. Но ведь они есть! И макромир и микромир как-то же сосуществуют в нашей физической реальности! А значит что-то не так с научными теориями, неспособными объяснить это противоречие. Так начались поиски новой теории, способной объяснить и воссоединить "и то, и другое" теорию относительности и квантовую механику. Вселенская гармония Именно такой теорией сегодня и может стать теория струн. Именно она способна "примирить" фундаментальные физические противоречия. Так в чем же ее смысл? Согласно теории струн, в основе нашего мира лежат некие практические безмерные элементы "струны" , которые несоизмеримо меньше даже атомного ядра и запрятаны в потаенных измерениях пространства согласно теории струн, пространство может иметь 10 и более измерений. Вибрации этих "струн" порождают все известные нам элементарные частицы. Далее в дело вступает математика, которая на языке формул снимает противоречие между теорией относительности и квантовой механикой. Логика примерно такая: так как в пространстве около 10 измерений, в которых "запрятаны" струны, то оно действительно может искривляться во все стороны, порождая не только гравитацию, но и саму вибрацию этих струн, что в свою очередь порождает элементарные частицы и все движения в микромире. Есть над чем подумать Это, пожалуй, примерно и есть тот максимум, который может осознать среднестатистический человек, не прибегая к сложным математическим формулам и неукладываемым в голове физическим понятиям. Стоит отметить, что сегодня не только теория струн претендует на звание "теории всего", и как же разрешится в итоге этот фундаментальный физический парадокс несовместимость теории относительности и квантовой механики покажет лишь время и новые гении. Хочется лишь надеяться, что произойдет это на нашем веку. Теория струн и петлевой квантовой теории гравитации. Что было до Большого взрыва и откуда взялось время? В теории квантовой гравитации привычное нам гладкое и непрерывное пространство на сверхмалых масштабах оказывается структурой с очень сложной геометрией изображение с сайта www. Однако недавно в рамках петлевой квантовой гравитации всё же удалось проследить эволюцию упрощенной модели Вселенной назад во времени, вплоть до момента Большого взрыва, и даже заглянуть за него. Попутно выяснилось, как именно в этой модели возникает время. Наблюдения за Вселенной показывают, что и на самых больших масштабах она вовсе не неподвижна, аэволюционирует с течением времени. Если на основе современныхтеорий проследить эту эволюцию назад во времени, то окажется, что наблюдаемая ныне часть Вселенной была раньше горячее и компактнее, чем сейчас, а начало ей далБольшой взрыв— некий процесс возникновения Вселенной из сингулярности: особой ситуации, для которой современные законы физики неприменимы. Физиков такое положение вещей не устраивает: им хочется понять и сам процесс Большого взрыва. Именно поэтому сейчас предпринимаются многочисленные попытки построитьтеорию, которая была бы применима и к этой ситуации. Поскольку в первые мгновения после Большого взрыва самой главной силой была гравитация, считается, что достичь этой цели возможно только в рамках непостроенной пока квантовойтеории гравитации. Одно время физики надеялись, что квантовая гравитация будет описана с помощьютеории суперструн, нонедавний кризиссуперструнныхтеорий поколебал эту уверенность. В такой ситуации больше внимания стали привлекать иные подходы к описанию квантовогравитационных явлений, и в частности, петлевая квантовая гравитации. Именно в рамках петлевой квантовой гравитации недавно был получен очень впечатляющий результат. Оказывается, из-за квантовых эффектов начальная сингулярность исчезает. Большой взрыв перестает быть особой точкой, и удается не только проследить его протекание, но и заглянуть в то, что было до Большого взрыва. Краткое описание этих результатов было недавно опубликовано в статье A. Ashtekar, T. Pawlowski, P. Петлевая квантовая гравитация принципиально отличается от обычных физическихтеорий и даже оттеории суперструн. Объектамитеории суперструн, к примеру, являются разнообразные струны и многомерные мембраны, которые, однако, летают в заранее приготовленном для них пространстве и времени. Вопрос о том, как именно возникло это многомерное пространство-время, в такойтеории не решишь. В петлевойтеории гравитации главные объекты — маленькиеквантовые ячейки пространства, определенным способом соединенные друг с другом. Законом их соединения и их состоянием управляет некоторое поле, которое в них существует. Величина этого поля является для этих ячеек неким « внутренним временем »: переход от слабого поля к более сильному полю выглядит совершенно так, как если бы было некое «прошлое», которое бы влияло на некое «будущее». Закон этот устроен так, что для достаточно большой вселенной с малой концентрациейэнергии то есть далеко от сингулярности ячейки как бы «сплавляются» друг с другом, образуя привычное нам «сплошное» пространство-время. Авторы статьи утверждают, что всего этого уже достаточно, чтобы решить задачу о том, что происходит со Вселенной при приближении к сингулярности.
Теория струн кратко и понятно. Теория струн для чайников.
одно из направлений теоретической физики (можно сказать - физики элементарных частиц). 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. •Краткая история теории 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.
В чем смысл теории струн?
- Струны Вселенной
- Теория суперструн кратко и понятно
- Что такое Теория струн простыми словами, её варианты и теория суперструн - Узнай Что Такое
- Что такое теория струн простыми словами: объясняем на пальцах
- Теория струн кратко и понятно
- Теория струн: расширенное понимание микромира
Что такое теория струн и может ли она открыть дверь в другие измерения
Теория струн возникла в середине 1970-х годов в результате развития струнной модели строения адронов. Теория струн, обобщение квантовой теории поля (КТП), связанное с ослаблением требований локальности и перенормируемости, открывшее возможность. 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. Что такое теория струн, какие пять основных элементов в нее входят, является ли она теорией всего, какие у нее недостатки в статье на
Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи
По аналогии с гитарными струнами, разные вибрации их - порождают разное звучание музыкальных нот. 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.
Смотрите, стандартная Ньютонова механика получается как предел квантовой при устремлении к нулю некоторого параметра. Традиционно считается, что квантование — это обратный процесс, то есть построение теории, зависящей от параметра, которая, при стремлении этого параметра к нулю, дает нам доквантовую теорию. Так вот, на самом деле не очень понятно, получаются ли из петлевой квантовой гравитации обычная квантовая механика и теория относительности при переходе к некоторому пределу? Специалисты по этой теории считают, что получается и никакой проблемы тут нет.
И возможно, они правы, а я нет — все-таки я не разбираюсь в деталях теории так, как они. Но издалека лично мне кажется, что там все не очень корректно. А есть какие-то предсказания петлевой гравитации, которые отличались бы от предсказаний теории струн? Желательно, чтобы эти предсказания еще и можно было проверить. Я думаю, если бы перед вами сидел специалист по петлевой квантовой гравитации, ответ был бы иным. Я ни в коем случае не утверждаю, что кто-то там нечестен, просто речь идет скорее о том, что у людей есть разные воззрения на то, что считать предсказанием и что считать фальсифицируемостью конкретной теории. Как бы то ни было, но я смею утверждать, что ни у кого из этих специалистов нет утверждения такого уровня: если не выполнено некоторое X, то вся теория не верна. Я никогда не слышал от них такого утверждения и думаю, они не могут его сделать.
Мы, правда, тоже не можем ничего такого заявить на данном уровне развития технологии — в этом смысле мы с ними в равных условиях. Есть ли какие-нибудь еще теории? За годы их было довольно много скажем, причинная динамическая триангуляция , но ни одна из них не была доведена до уровня теории струн или теории петлевой гравитации. В частности, конечно, в вопросах внутренней непротиворечивости последних была проделана огромная работа, намного опередившая остальных конкурентов. Конечно, теории отдельно проверялись в экстремальных теоретических экспериментах — например, насколько хорошо та или иная теория описывает физику в окрестности, скажем, сверхмассивных черных дыр. Это ведь очень полезная работа — посмотреть на теорию в экстремальных условиях. Даже если мы не можем получить нужные условия экспериментально, такой подход бывает очень плодотворным. Недавно, например, в таком теоретическом эксперименте были получены довольно интересные результаты.
Тут снова надо сделать небольшое отступление в прошлое. В 70-х годах прошлого века Стивен Хокинг заинтересовался вот каким вопросом: что происходит с материей, когда она падает в черную дыру? Ученые до него сказали бы, что все понятно — материя падает, пропадает, она в черной дыре, конец. Однако Хокинг обнаружил, что черные дыры могут излучать. Это означает, что как минимум часть материи, попавшей в черную дыру, попадает наружу в виде излучения. Свое открытие Хокинг сделал, добавив в теорию относительности немного квантовой механики. Он не объединил эти теории полностью, но объединил их в достаточной мере, чтобы делать конкретные космологические предсказания, которые позволяли кое-что в этой самой космологии объяснить. В 1997 году Хокинг уже на пару с Кипом Торном заключил пари на полное издание Британской энциклопедии с Джоном Прескиллом, профессором Калифорнийского технологического института и директором Института квантовой информации.
Прескилл утверждал, что информация в черной дыре не исчезает — просто мы не в состоянии расшифровать то, что дыра излучает. В августе 2004 года на Международной конференции по общей теории относительности и космологии в Дублине Хокинг признал правоту Прескилла и предложил примерный механизм излучения информации правда, не принятый до конца научным сообществом. Как бы то ни было, возник вопрос. Квантовая механика требует, чтобы информация сохранялась. Это означает, что излучение дыры должно нести информацию о том, что в нее попало. Однако расчеты Хокинга показали, что излучение дыры имеет тепловой спектр. Это означает, что дыра излучает как абсолютно черное тело определенной температуры — в частности, это излучение не несет никакой информации о том, что в эту самую дыру упало. Возникает проблема исчезновения информации в черной дыре, которую сам Хокинг считал вовсе не проблемой, а просто законом природы.
Мол, так устроена жизнь и информацию можно уничтожить. Потом пришла теория струн. И только совсем недавно, летом 2012 года, когда физики стали разбираться в тонкостях того, что происходит с информацией в черной дыре, как она «вырывается» наружу, они обнаружили, что три факта о черных дырах, которые до последнего времени считались верными, на самом деле противоречат друг другу. Речь идет о представлении горизонта событий черной дыры как гладкого региона пространства, в окрестностях которого ничего особенного, вообще говоря, не происходит; представлении о том, что квантовая механика унитарна то есть, в частности, требует сохранения информации , а также о том, что при достаточно низких энергиях на достаточном удалении от самой дыры применимы методы квантовой теории поля. Как разрешить это противоречие, пока никто не знает. Это, кстати, заставляет уже многих ученых ставить под сомнение саму теорию струн. Например, тот же Леонард Зюскинд, которого я упоминал выше, в связи с этим парадоксом выдвинул гипотезу, что, мол, теория струн в современном понимании, возможно, не полностью квантует гравитацию. А мы в это верили многие десятилетия.
И это здорово, это именно то, что нужно — пусть не реальные эксперименты, а теоретические, но они заставляют ученых пересматривать теорию. Это чем-то напоминает зеркальную симметрию, о которой мы говорили раньше, только это соответствие более кардинальное. Дело в том, что на первый взгляд между этими теориями нет вообще ничего общего, ничего, что даже отдаленно могло бы их связывать. Но дело даже не в том, что две такие разные теории оказываются одним и тем же. Ее просто нет в уравнениях. А раз нет гравитации, то, значит, нет и проблем с унитарностью — ведь они появляются только в присутствии гравитации. Из этого, например, можно с уверенностью заключить, что всякая квантовая теория гравитации должна быть унитарной. Я даже больше скажу — в ту половину двойственности, которая с гравитацией, можно вписать черную дыру.
Но при переходе к суперсимметричной части двойственности черная дыра превращается просто в нагретое скопление частиц. Такой объект, конечно, унитарен. Значит, и черные дыры в теории струн должны быть унитарны и никакая информация никуда не девается. Кроме таких вот теоретических построений эта двойственность где-нибудь еще используется? Да, конечно. Оказалось, например, что если вам нужно работать с кварк-глюонной плазмой этим, в частности, занимаются физики на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Нью-Йорке , стандартные методы теории поля не очень помогают — математика оказывается очень сложной. А в теории струн математика, как ни странно, оказывается проще. То есть 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.
Параллельные миры. Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса: Пер. Уравнение Бога. Рэндалл Л. Warped Passages. Сасскинд Л. The Black Hole War. Теории струн посвящены главы с 18-й и далее. Хокинг С. Теории струн посвящена 10-я глава «Объединение физики». Теория струн и скрытые измерения Вселенной: Пер. Zimmerman Jones, Andrew; Robbins, Daniel. String Theory For Dummies. Дата обращения: 27 апреля 2011 — Сборник состоит из 24 статей, посвящённых вопросам современной квантовой теории поля конформная симметрия критических явлений, факторизованное рассеяние в двумерных теориях, инстантоны и монополи в калибровочных теориях, взаимодействие релятивистских струн и её математическому анализу алгебраическая топология , теория представлений бесконечномерных алгебр Ли , теория квантовых групп и др. Статьи были ранее опубликованы в отечественных и зарубежных периодических изданиях в период 1970—1990 гг. Бринк Л. Принципы теории суперструн. Бухбиндер И. Дата обращения: 27 апреля 2011 Грин М. Теория суперструн. Грин М.
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. 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.
Теория струн. Что это?
Та материя, сутью которой являются струны, составляет только 5% массы Вселенной — ее видимая часть. Теория струн, имеет все шансы разрешить главный спор в физике XX века – включить гравитационное взаимодействие в Стандартную модель. Как известно, теория струн была предложена в 1970-х годах для решения проблем квантовой гравитации и Стандартной модели. В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. Теория струн — это теория о том, что фундаментальными составляющими Вселенной являются одномерные "струны", а не точечные частицы (как это принято наукой). теория струн имеет значительное значение для понимания ранней Вселенной и происхождения нашей вселенной.
Don't Panic Magazine
- Что такое теория струн простыми словами (насколько это возможно)?
- Струны Вселенной
- Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи
- На пути к теории струн / Хабр