Так, начал вырисовываться фундаментальный физический принцип, получивший прекрасное название Теория всего или Теория струн, которая стала воплощением мечты всех физиков по объединению двух противоречащих друг другу ОТО и квантовой механики. Новости науки, высокие технологии и научные открытия. Не так давно физический мир облетела новость: знаменитая теория струн несовместима с существованием тёмной энергии, какой её себе представляет большинство космологов.
Теория струн и квантовая механика
Теория струн гласит, что неделимые субатомные частицы состоят из крошечных маленьких струн, вибрирующих по определенной схеме. Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано[7], связанных со струнными моделями строения адронов. В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно.
Обнаружено новое доказательство теории струн
Если теория струн это, в том числе, и теория гравитации, то как она соотносится с теорией тяготения Эйнштейна? Ученые в качестве объяснения краткой сути теории струн пытались ввести понятие нулевого измерения. О проекте. Новости.
Мы заколебались: объясняем простым языком теорию струн
| Обнаружено новое доказательство теории струн | Оказалось, что теория струн замечательно может свести все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной к одному — колебанию одномерной струны с соответствующим переносом энергии. |
| Что такое теория струн | 20–минутное видео о теории струн. Про эту теорию впервые прочитал в журнале "Юный техник" ещё в школе. |
| Теория струн, Мультивселенная | 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. |
Теория струн кратко и понятно
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.
Теория струн кратко и понятно Comments Off on Теория струн кратко и понятно Еще лет сто назад ученые искренне считали, что поняли как именно работает мир. Нильса Бора даже отговаривали заниматься физикой — мол, тут все и так ясно. Однако, в 1926 году на сцену вышел великий Вернер Гейзенберг со своим принципом неопределенности и все изменилось в одночасье. Благодаря развитию темы принципа неопределенности ученые смогли сформировать новую теорию струн.
Представьте себе любую игру-платформер, как, например, Mario, и вспомните, в каких направлениях вы могли там двигаться. В одномерном же пространстве мы можем двигаться только вперед или назад. Со временем все то же самое. Отличие одномерного времени от одномерного пространства лишь в том, что это луч, а не отрезок. И движется он только вперед, а значит назад во времени мы идти не можем. А что с двумерным временем? Не знаю, может вы можете представить, каково это, пересекать время по диагонали? Струны Если вы до сих пор это читаете, то наверняка уже много раз задавались вопросом, когда уже будет что-нибудь про струны. Хоть мое объяснение и для чайников, это все же объяснение. Просто рассказать, что такое струны, было бы неправильно, да и теория в основном базируется именно на измерениях. И, чтобы наконец добраться до струн, нам придется хотя бы попытаться представить эти измерения. О первых четырех вы уже имеете представление. Грубо говоря, первые три измерения, это некая точка в четвертом. А точка, как известно, измерений не имеет. То есть с точки зрения времени, вы и весь сегодняшний день — лишь точка на временном луче. Что есть пятое измерение? Аналогично тому, как мы сворачиваем условно двумерный лист бумаги, чтобы придать ему объем то есть третье измерение , нам придется «согнуть» четвертое, чтобы получить пятое. Да, нам нужно согнуть время, а вместе с ним, естественно и наше трехмерное пространство, ведь одно без другого никуда. Делаем мы это для того, чтобы свести две временные точки вместе. Путешествие во времени, скажете вы — пятое измерение, отвечу я. По сути мы просто помещаем наше одномерное время на двумерную временную плоскость. Таким образом у нас получается два отрезка в пятом измерении, в которых живет наш избранный Нео. Об этом мы и говорили чуть выше, описывая двумерное время. Но как же нам перемещаться между этими отрезками, если мы живем в них одновременно? В пяти измерениях никак. Нужно снова согнуть нашу бумагу, чтобы отрезки соприкоснулись. Это шестое измерение. При этом все пять предыдущих измерений снова становятся лишь точкой в шестом. Если у вас еще не болит голова, идем дальше. Мы уже близко. Возьмем несколько точек, существующих в шести измерениях, и сделаем из них прямую. Как вы уже догадались, это седьмое. По сути седьмое измерение — это набор параллельных Вселенных. Все они живут по разным законам, во всех их жизнь происходит по-разному. И та сущность, которая способна жить в семи измерениях, может существовать одновременно во всем этом многообразии миров. Отобразим семимерную прямую на плоскости, получим восьмое измерение. А девятое содержит несколько таких плоскостей. Вот вы уже представили, какая вакханалия существует в семи измерениях. Теперь вообразите, что будет если такой мир, в котором множество миров, тоже не один. Это восьмое. А теперь возьмем всю эту матрешку, помножим бесконечность раз и получим девятое. А теперь вообразите себе нечто, что существует во всех девяти измерениях одновременно. То есть девятимерные точки собираются в прямую, которая находится на какой-то плоскости — десятом измерении. И такие точки, состоящие из девяти измерений, образуют бесконечно длинную прямую, на бесконечно длинной плоскости. Эти линии тянутся в каждой точке пространства, в каждый момент времени во всех мирах. Начиная от Большого Взрыва, через время, через пространство, через все миры тянутся они — струны.
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. А именно: заметить дополнительные измерения можно только, если рассеивать элементарные частицы на ускорителях при очень высоких энергиях. В чем недостаток теории струн Главная проблема с теорией струн заключается в том, что она предсказывает наряду со всеми элементарными частицами, которые мы уже видим в экспериментах целый ряд других частиц, которых мы не наблюдаем. Пока не удается объяснить, куда деваются лишние частицы.
Популярно о теории струн
Сравнительно недавно появился подход, дающий возможность разрешить это противоречие — теория струн. Теория струн кратко и понятно. В начале XX века учёные, благодаря классической физике, считали, что поняли, как устроен мир. Теория струн предполагает объединения идей квантовой механики и теории относительности, представляя элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами. Главное преимущество теории струн является ее способность объединить общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику.
Теория струн для чайников
Теория струн расширила симметрию до суперсимметрии, из которой следовало, что моды колебаний струны реализуются парами суперпартнёров, спин которых отличается на. Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений. Описание теории струн простым и понятным языком, или как принято говорить "Для чайников". 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”.
Теория струн простым языком
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. Однако таких искажений астрофизики не зафиксировали. Это поставило под сомнение теорию струн.
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. Его крылья, как мы помним, сделанные из перьев и воска, растаяли как отец и говорил , он упал и разбился. В моей книжке у мальчика нет крыльев из воска — у него космический корабль. И летит он не к Солнцу, а к черной дыре.
Он не гибнет, но из-за эффекта замедления времени после возвращения выясняет, что с момента старта прошло 10 тысяч лет. На написание этой книжки меня подтолкнуло вот что. Сам миф об Икаре мне никогда не нравился. Что, по сути, говорит этот миф? Делай то, что тебе говорят старшие, иначе умрешь.
Сцена из спектакля «Икар на краю земли» Фото: polymus. Вот, например, «Чарли и шоколадная фабрика» утверждает, что ты не просто умрешь, а умрешь довольно неприятной смертью Надо понимать, что весь этот социальный контроль, весь посыл этой легенды в точности противоположен тому, что должен делать настоящий ученый. Он-то как раз должен идти против всех, не слушая, что ему говорят. И это путь к изменениям — часто довольно болезненным. И именно это происходит в книжке.
Мальчик не умирает, да, но он оказывается в совершенно другой реальности — и это тоже довольно болезненно. Я хотел написать книжку, в которой двигателем истории была бы наука. В каком-то смысле вернуться к корням научной фантастики — к тому моменту, когда она еще была научной. После выхода книги мы превратили ее в небольшое шоу.
Не совсем понятно, как гравитация влияет на мельчайшие частицы. Теории, которые стремятся описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации, и одной из наиболее многообещающих из всех таких теорий является теория струн. Открытые и закрытые струны 5 фундаментальных взаимодействий струны типа I Струны в теории струн имеют две формы: открытые и закрытые струны. Две открытые струны могут соединяться с обоих концов, образуя закрытую струну. Или несколько открытых струн могут присоединиться к одному концу, чтобы сформировать новую открытую струну. Такие струны, известные как струны типа I, могут проходить через 5 основных типов взаимодействий. Эти взаимодействия зависят от способности струны соединять и разделять концы концов. Ученые считают, что у замкнутых струн есть особые атрибуты, которые могут описывать гравитацию в квантовой механике. Считается, что характерная шкала длины струн составляет порядка 10 -35 метров, или длины Планка. Это масштаб, при котором эффекты квантовой гравитации становятся значительными. Однако в 1995 году американский физик-теоретик объединил все пять теорий в одну 11-мерную теорию, называемую М-теорией. Это может обеспечить основу для построения единой теории всех фундаментальных сил во Вселенной. Кто открыл теорию струн? Целью этой программы было заменить локальную квантовую теорию поля как основной принцип физики элементарных частиц. Ускорители частиц 1950-х и 60-х годов в изобилии производили адроны. Физики изобрели множество различных моделей для описания структуры спинов и масс этих сильно взаимодействующих частиц состоящих из кварков. Итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано сыграл главную роль в разработке этих ранних моделей. Он сформулировал основы теории струн в 1968 году, когда обнаружил, что крошечные струны могут описывать взаимодействия адронов. Он также опубликовал статью в 1991 году, в которой описывается, как инфляционная космологическая модель может быть получена из теории струн. Сегодня, благодаря совместным усилиям многих исследователей, теория струн превратилась в широкую и разнообразную тему, связанную с чистой математикой, космологией, физикой конденсированного состояния и квантовой гравитацией. Является ли теория струн теорией всего?
Проблемы Возможность критического эксперимента Теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не даёт однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в критическом эксперименте. Таким образом, теория струн находится пока в «зачаточной стадии»: она обладает множеством привлекательных математических особенностей и может стать чрезвычайно важной в понимании устройства Вселенной, но требуется дальнейшая разработка для того, чтобы принять её или отвергнуть. Поскольку теорию струн, скорее всего, нельзя будет проверить в обозримом будущем в силу технологических ограничений, некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли данная теория статуса научной, поскольку, по их мнению, она не является фальсифицируемой в попперовском смысле [12] [55]. Разумеется, это само по себе не является основанием считать теорию струн неверной. Часто новые теоретические конструкции проходят стадию неопределённости, прежде чем, на основании сопоставления с результатами экспериментов, признаются или отвергаются см. Поэтому и в случае теории струн требуется либо развитие самой теории, то есть методов расчёта и получения выводов, либо развитие экспериментальной науки для исследования ранее недоступных величин. Фальсифицируемость и проблема ландшафта В 2003 году выяснилось [57] , что существует множество способов свести 10-мерные суперструнные теории к 4-мерной эффективной теории поля. Сама теория струн не давала критерия, с помощью которого можно было бы определить, какой из возможных путей редукции предпочтителен. Каждый из вариантов редукции 10-мерной теории порождает свой 4-мерный мир, который может напоминать, а может и отличаться от наблюдаемого мира. Всю совокупность возможных реализаций низкоэнергетического мира из исходной суперструнной теории называют ландшафтом теории. Оказывается, количество таких вариантов поистине огромно. Считается, что их число составляет как минимум 10100 , вероятнее — около 10500; не исключено, что их вообще бесконечное число [58]. В течение 2005 года неоднократно высказывались предположения [59] , что прогресс в этом направлении может быть связан с включением в эту картину антропного принципа [60] : человек существует именно в такой Вселенной, в которой его существование возможно. Вычислительные проблемы С математической точки зрения ещё одна проблема состоит в том, что, как и квантовая теория поля , большая часть теории струн всё ещё формулируется пертурбативно в терминах теории возмущений [61]. Несмотря на то, что непертурбативные методы достигли за последнее время значительного прогресса, полной непертурбативной формулировки теории до сих пор нет. Данный результат, по всей видимости, заставит пересмотреть внешние параметры струнных теорий [63] [64] [65]. Текущие исследования Изучение свойств чёрных дыр В 1996 г. В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определённого класса чёрных дыр [66] , а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию. Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений , которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого. Реальным процессам образования чёрных дыр Строминджер и Вафа противопоставили конструктивный подход [2]. Суть в том, что они изменили точку зрения на образование чёрных дыр, показав, что их можно конструировать путём кропотливой сборки в один механизм точного набора бран , открытых во время второй суперструнной революции. Строминджер и Вафа смогли вычислить число перестановок микроскопических компонентов чёрной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, например масса и заряд , остаются неизменными. Тогда энтропия этого состояния по определению равна логарифму полученного числа — числа возможных микросостояний термодинамической системы. Затем они сравнили результат с площадью горизонта событий чёрной дыры — эта площадь пропорциональна энтропии чёрной дыры, как предсказано Бекенштейном и Хокингом на основе классического понимания [2] , — и получили идеальное согласие [67]. По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии.