Теория струн взяла на вооружение старую идею Калуцы-Клейна о скрытом «дополнительном» измерении и значительно расширила ее.
Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи
•Краткая история теории струн. И тут теория струн очень сильно пригодилась, связала все между собой, а через десятки лет ее постигла участь предшественников. В своей основе Теория струн отрицает теорию Большого взрыва и утверждает, что Вселенная существовала всегда. Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации.
Обнаружено новое доказательство теории струн
| Теория струн кратко и понятно | Действительно, теория струн способна объединить квантовую теорию и гравитацию, но сделать это, как оказалось, можно пятью способами. |
| Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи | теория струн имеет значительное значение для понимания ранней Вселенной и происхождения нашей вселенной. |
| Квантовая механика – следствие теории струн? | Теория струн основана на идее физики о том, что все известные силы, частицы и взаимодействия могут быть связаны. |
| Теория струн. Возникновение теории, ее приложения | Действительно, теория струн способна объединить квантовую теорию и гравитацию, но сделать это, как оказалось, можно пятью способами. |
Теория струн и квантовая механика
Объединяющую их единую теорию называют М-теорией. Под струной физики подразумевают некий одномерный протяженный объект, средний размер которого должен быть порядка Планковской длиной, то есть 10-35 м. Работа Барса и Рычкова станет, возможно, одним из шагов к созданию единой теории поля, объединению различных областей теоретической физики на одном базисе. К сожалению, современные технологии не позволяют подтвердить результаты исследования экспериментально, поскольку не существует методов и оборудования, позволяющих исследования объектов меньшего масштаба, чем отдельные частицы.
На субатомном уровне ткань пространства становится неровной и хаотичной. Мир крошечных частиц настолько бурный и непонятный, что это противоречит здравому смыслу. Пространство и время в нем настолько искривлены и переплетены, что там нет обычных понятий левого и правого, верха и низа, и даже до и после. Не существует способа сказать наверняка, в какой именно точке пространства находится в данный момент та или иная частица, и каков при этом момент ее импульса. Существует лишь некая вероятность нахождения частицы во множестве областей пространства-времени. Частицы на субатомном уровне словно «размазаны» по пространству.
Мало этого, не определен и сам «статус» частиц: в одних случаях они ведут себя как волны, в других — проявляют свойства частиц. Это то, что физики называют корпускулярно-волновым дуализмом квантовой механики. Уровни строения мира: 1. Макроскопический уровень — вещество 2. Молекулярный уровень 3. Атомный уровень — протоны, нейтроны и электроны 4. Субатомный уровень — электрон 5. Субатомный уровень — кварки 6. Ramos В Общей теории относительности, словно в государстве с противоположными законами, дело обстоит принципиально иначе.
Пространство представляется похожим на батут — гладкую ткань, которую могут изгибать и растягивать объекты, обладающие массой. Они создают деформации пространства-времени — то, что мы ощущаем как гравитацию. Стоит ли говорить, что стройная, правильная и предсказуемая Общая теория относительности находится в неразрешимом конфликте с «взбалмошной хулиганкой» — квантовой механикой, и, как следствие, макромир не может «помириться» с микромиром. Вот тут на помощь и приходит теория струн. 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». 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. 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?
Я начал работу в аспирантуре Оксфордского университета в октябре 1984 г. Хотя я был восхищён раскрывавшимися передо мной достижениями квантовой теории поля, калибровочной теории и общей теории относительности, среди моих старших коллег-аспирантов было распространено скептическое убеждение, что бо? Была разработана стандартная модель, и замечательный успех, с которым она предсказывала результаты экспериментов, оставлял мало сомнений в том, что её полное подтверждение является делом не слишком отдалённого будущего. Выход за её пределы для включения гравитации и возможного объяснения экспериментальных данных, на которых базируется эта модель т.
Однако спустя всего шесть месяцев настроения радикально изменились. Весть об успехе Грина и Шварца, в конце концов, дошла даже до аспирантов первого года обучения, и на смену прежнему унынию пришло возбуждающее ощущение причастности к поворотному моменту в истории физики. Многие из нас засиживались глубоко за полночь, штудируя увесистые фолианты по теоретической физике и абстрактной математике, знание которых необходимо для понимания теории струн. Период с 1984 по 1986 гг. В течение этого периода физиками всего мира было написано более тысячи статей по теории струн. Эти работы окончательно продемонстрировали, что многочисленные свойства стандартной модели, открытые в течение десятилетий кропотливых исследований, естественным образом вытекают из величественной системы теории струн. Как заметил Майкл Грин, «момент, когда вы знакомитесь с теорией струн и осознаёте, что почти все основные достижения физики последнего столетия следуют — и следуют с такой элегантностью — из столь простой отправной точки, ясно демонстрирует вам всю невероятную мощь этой теории». Эти достижения убедили многих физиков, что теория струн способна выполнить свои обещания и стать окончательной объединяющей теорией.
Однако на этом пути занимавшиеся теорией струн физики снова и снова натыкались на серьёзные препятствия. В теоретической физике часто приходится иметь дело с уравнениями, которые либо слишком сложны для понимания, либо с трудом поддаются решению. Обычно в такой ситуации физики не пасуют и пытаются получить приближённое решение этих уравнений. Положение дел в теории струн намного сложнее. Даже сам вывод уравнений оказался столь сложным, что до сих пор удалось получить лишь их приближённый вид.
Суперсимметрия, под которой понимается связь между двумя классами элементарных частиц — фермионами и бозонами. Объединение сил. Идея о струнах объединяет принципы теории относительности и квантовой механики, которые формулируют основы устройства Вселенной. Открытые и закрытые струны, взаимодействующие между собой.
Важнейшее значение теории струн для физиков, если излагать кратко: она претендует на роль «теории всего», то есть может объединить в одно целое все физические аспекты существования Вселенной. Именно она позволяет объяснять самые сложные явления — например, черные дыры.
Теория струн кратко и понятно
Согласно этой теории, когда струны вибрируют, скручиваются и сворачиваются, они производят эффекты во многих крошечных измерениях. Эти эффекты люди затем могут наблюдать во всем - от физики элементарных частиц до крупномасштабных явлений, таких как гравитация. Теория 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. Хотя квантовая механика очень хорошо описывает поведение очень маленьких вещей, а общая теория относительности хорошо объясняет, как во Вселенной происходят очень большие вещи, они плохо сочетаются друг с другом. Некоторые ученые считают, что теория струн может разрешить противоречия между ними, преодолев одну из основных нерешенных проблем физики. Но после того, как теория струн получила известность в конце 1960-х и 70-х годах, ее положение в среде физиков-теоретиков было шатким.
Почему же мы воспринимаем другие измерения? Развитие Существует два типа частиц: фермионы — частицы вещества, и бозоны — переносчики взаимодействия. К примеру, фотон является бозоном, переносящим электромагнитное взаимодействие, гравитон — гравитационное, или тот же бозон Хиггса, распространяющий взаимодействие с полем Хиггса. Так вот если теория струн учитывала лишь бозоны, то теория суперструн также учла и фермионы, что позволило избавиться от тахионов. Читайте также: Ученые утверждают, что много кофе сердцу не вредит Конечный вариант принципа суперструн разработан Эдвардом Виттеном и называется «м-теория», согласно которой для объединения всех различных версий суперструнной теории следует ввести 11-тое измерение.
Поставим рядом с первой точкой вторую и проведём через них линию. Вот вам и первое измерение. У одномерного объекта есть размер — длина, но нет ни ширины, ни глубины. Движение в рамках одномерного пространства очень ограничено, ведь возникшее на пути препятствие не обойдёшь. Чтобы определить местонахождение на этом отрезке, понадобится всего одна координата. Поставим рядом с отрезком точку. Чтобы уместить оба эти объекта, нам потребуется уже двумерное пространство, обладающее длиной и шириной, то есть, площадью, однако без глубины, то есть, объёма. Расположение любой точки на этом поле определяется двумя координатами. Третье измерение возникает, когда мы добавляем к этой система третью ось координат. Нам, жителям трёхмерной вселенной, очень легко это представить. Попробуем вообразить, как видят мир жители двухмерного пространства. Например, вот эти два человечка: Теория суперструн, популярным языком, представляет вселенную как совокупность вибрирующих нитей энергии — струн. Они являются основой природы. Гипотеза описывает и другие элементы — браны. Все вещества в нашем мире состоят из колебаний струн и бран. Естественным следствием теории является описание гравитации. Именно поэтому ученые считают, что в ней содержится ключ к объединению силы тяжести с другими взаимодействиями. Концепция развивается Теория единого поля, теория суперструн, — сугубо математическая. Как и все физические концепции, она основана на уравнениях, которые могут быть определенным образом интерпретированы. Сегодня никто не знает точно, каким будет окончательный вариант этой теории. Ученые имеют довольно смутное представление об ее общих элементах, но никто еще не придумал окончательного уравнения, охватившего бы все теории суперструн, а экспериментально до сих пор не удалось ее подтвердить хотя и опровергнуть тоже. Физики создали упрощенные версии уравнения, но пока что оно не вполне описывает нашу вселенную. Теория суперструн для начинающих В основе гипотезы положены пять ключевых идей. Теория суперструн предсказывает, что все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии. Она пытается совместить общую теорию относительности гравитации с квантовой физикой. Теория суперструн позволит объединить все фундаментальные силы вселенной. Эта гипотеза предсказывает новую связь, суперсимметрию, между двумя принципиально различными типами частиц, бозонами и фермионами. Концепция описывает ряд дополнительных, обычно ненаблюдаемых измерений Вселенной. Струны и браны Эти суперструны теория делит на два вида — замкнутые и открытые. Открытая струна имеет концы, которые не соприкасаются друг с другом, в то время как замкнутая струна является петлей без открытых концов. В итоге было установлено, что эти струны, называемые струнами первого типа, подвержены 5 основным типам взаимодействий. Взаимодействия основаны на способности струны соединять и разделять свои концы. Поскольку концы открытых струн могут объединиться, чтобы образовывать замкнутые, нельзя построить теорию суперструн, не включающую закольцованные струны. Это оказалось важным, так как замкнутые струны обладают свойствами, как полагают физики, которые могли бы описать гравитацию. Другими словами, ученые поняли, что теория суперструн вместо объяснения частиц материи может описывать их поведение и силу тяжести. Через многие годы было обнаружено, что, кроме струн, теории необходимы и другие элементы. Их можно рассматривать как листы, или браны. Струны могут крепиться к их одной или обеим сторонам. Квантовая гравитация Современная физика имеет два основных научных закона: общую теорию относительности ОТО и квантовую. Они представляют совершенно разные области науки. Квантовая физика изучает мельчайшие природные частицы, а ОТО, как правило, описывает природу в масштабах планет, галактик и вселенной в целом. Гипотезы, которые пытаются объединить их, называются теориями квантовой гравитации. Наиболее перспективной из них сегодня является струнная. Замкнутые нити соответствуют поведению силы тяжести. В частности, они обладают свойствами гравитона, частицы, переносящей гравитацию между объектами. Объединение сил Теория струн пытается объединить четыре силы — электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию — в одну. В нашем мире они проявляют себя как четыре различные явления, но струнные теоретики считают, что в ранней Вселенной, когда были невероятно высокие уровни энергии, все эти силы описываются струнами, взаимодействующими друг с другом. Суперсимметрия Все частицы во вселенной можно разделить на два типа: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между ними существует связь, называемая суперсимметрией. При суперсимметрии для каждого бозона должен существовать фермион и для каждого фермиона — бозон. К сожалению, экспериментально существование таких частиц не подтверждено. Суперсимметрия является математической зависимостью между элементами физических уравнений. Она была обнаружена в другой области физики, а ее применение привело к переименованию в теорию суперсимметричных струн или теория суперструн, популярным языком в середине 1970 годов. Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. Без суперсимметрии уравнения приводят к физическим противоречиям, таким как бесконечные значения и воображаемые энергетические уровни. Поскольку ученые не наблюдали частицы, предсказанные суперсимметрией, она все еще является гипотезой. Эти частицы могли существовать в ранней вселенной, но так как она остыла, и после Большого взрыва энергия распространилась, эти частицы перешли на низкоэнергетические уровни. Другими словами, струны, вибрировавшие как высокоэнергетические частицы, утратили энергию, что превратило их в элементы с более низкой вибрацией. Ученые надеются, что астрономические наблюдения или эксперименты с ускорителями частиц подтвердят теорию, выявив некоторые из суперсимметричных элементов с более высокой энергией. Дополнительные измерения Другим математическим следствием теории струн является то, что она имеет смысл в мире, число измерений которого больше трех. В настоящее время этому существует два объяснения: Дополнительные измерения шесть из них свернулись, или, в терминологии теории струн, компактифицировались до невероятно малых размеров, воспринять которые никогда не удастся. Мы застряли в 3-мерной бране, а другие измерения простираются вне ее и для нас недоступны. Важным направлением исследований среди теоретиков является математическое моделирование того, как эти дополнительные координаты могут быть связаны с нашими. Последние результаты предсказывают, что ученые в скором времени смогут обнаружить эти дополнительные измерения если они существуют в предстоящих экспериментах, так как они могут быть больше, чем ожидалось ранее. Понимание цели Объяснение материи и массы Одна из основных задач современных исследований — поиск решения для реальных частиц. Теория струн начиналась как концепция, описывающая такие частицы, как адроны, различными высшими колебательными состояниями струны. В большинстве современных формулировок, материя, наблюдаемая в нашей вселенной, является результатом колебаний струн и бран с наименьшей энергией. Вибрации с большей порождают высокоэнергичные частицы, которые в настоящее время в нашем мире не существуют. Масса этих элементарных частиц является проявлением того, как струны и браны завернуты в компактифицированных дополнительных измерениях. Например, в упрощенном случае, когда они свернуты в форме бублика, называемом математиками и физиками тором, струна может обернуть эту форму двумя способами: короткая петля через середину тора; длинная петля вокруг всей внешней окружности тора. Короткая петля будет легкой частицей, а большая — тяжелой. 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.
Впрочем, это подразумевало пересмотр размеров главных "Героев" теории - струн. Предположив, что струны в миллиарды и миллиарды раз меньше атома, "Струнщики" превратили недостаток теории в ее достоинство. Таинственная частица, от которой Джон Шварц так настойчиво пытался избавиться, теперь выступала в качестве гравитона - частицы, которую долго искали и которая позволила бы перенести гравитацию на квантовый уровень. Именно так теория струн дополнила пазл гравитацией, отсутствующей в стандартной модели. Но, увы, даже на это открытие научное сообщество никак не отреагировало. Теория струн оставалась на грани выживания. Но Шварца это не остановило. Присоединиться к его поискам захотел только один ученый, готовый рискнуть своей карьерой ради таинственных струн - Майкл Грин. Субатомные матрешки. Несмотря ни на что, в начале 1980-х годов теория струн все еще имела неразрешимые противоречия, называемые в науке аномалиями. Шварц и Грин принялись за их устранение. И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Каково же было изумление этих двоих, уже привыкших к тому, что их теорию пропускают мимо ушей, когда реакция ученого сообщества взорвала научный мир. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек. Именно тогда теорию струн наградили титулом теории всего. Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания. И вот эти составляющие. Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц - электронов, которые кружатся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц - кварков. Но теория струн утверждает, что на кварках дело не заканчивается. Кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны. Каждая из таких струн невообразимо мала. Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров солнечной системы, струна была бы размером с дерево. Так же, как различные колебания струны виолончели создают то, что мы слышим, как разные музыкальные ноты, различные способы моды вибрации струны придают частицам их уникальные свойства - массу, заряд и прочее. Знаете, чем, условно говоря, отличаются протоны в кончике вашего ногтя от пока не открытого гравитона? Только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются. Конечно, все это более чем удивительно. Еще со времен древней Греции физики привыкли к тому, что все в этом мире состоит из чего-то вроде шаров, крошечных частиц. И вот, не успев привыкнуть к алогичному поведению этих шаров, вытекающему из квантовой механики, им предлагается вовсе оставить парадигму и оперировать какими-то обрезками спагетти. Как устроен мир. Науке сегодня известен набор чисел, которые являются фундаментальными постоянными вселенной. Именно они свойства и характеристики всего вокруг нас определяют. Среди таких констант, например, заряд электрона, гравитационная постоянная, скорость света в вакууме. И если мы изменим эти числа даже в незначительное число раз - последствия будут катастрофическими. Предположим, мы увеличили силу электромагнитного взаимодействия. Что же произошло? Мы можем вдруг обнаружить, что ионы стали сильнее отталкиваться друг от друга, и термоядерный синтез, который заставляет звезды светить и излучать тепло, вдруг дал сбой. Все звезды погаснут. Но причем здесь теория струн с ее дополнительными измерениями? Дело в том, что, согласно ей, именно дополнительные измерения определяют точное значение фундаментальных констант. Одни формы измерений заставляют одну струну вибрировать определенным образом, и порождают то, что мы видим, как фотон. В других формах струны вибрируют по-другому, и порождают электрон. Воистину бог кроется в "Мелочах" - именно эти крошечные формы определяют все основополагающие константы этого мира. Теория суперструн. В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. Всего за несколько лет возникло целых пять версий теории струн. И хотя каждая из них построена на струнах и дополнительных измерениях все пять версий объединены в общую теорию суперструн - NS , в деталях эти версии расходились значительно. Так, в одних версиях струны имели открытые концы, в других - напоминали кольца. А в некоторых вариантах теория даже требовала не 10, а целых 26 измерений. Парадокс в том, что все пять версий на сегодняшний день можно назвать одинаково верными. Но какая из них действительно описывает нашу вселенную? Это очередная загадка теории струн. Именно поэтому многие физики снова рукой на "Сумасбродную" теорию махнули. Но самая главная проблема струн, как уже было сказано, в невозможности по крайней мере, пока доказать их наличие экспериментальным путем. Некоторые ученые, однако, все же поговаривают, что на следующем поколении ускорителей есть очень минимальная, но все же возможность проверить гипотезу о дополнительных измерениях. Хотя большинство, конечно, уверено, что если это и возможно, то произойти это, увы, должно еще очень нескоро - как минимум через десятилетия, как максимум - даже через сотню лет. Теория семи струн кратко и понятно.
Что такое теория струн? Простой обзор
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.
Вы правы. А приведите примеры, какие факты удается узнать таким образом про компактифицированные пространства? Есть важный геометрический вопрос, касающийся этих компактифицированных пространств — сколькими вариантами в эти пространства можно вложить сферы. Речь здесь идет про вложение голоморфным образом — но это детали, они в данном случае не имеют значения. До вмешательства физиков математики могли ответить на этот вопрос только в случае, когда число вращения — то есть то, сколько раз такая сфера обмотана вокруг себя самой, — достаточно мало. Один, два или три. Для чисел больше ничего известно не было.
В теории струн оказалось, что эти числа связаны с амплитудами рассеивания. То есть для их подсчета достаточно было провести опыт, сделать преобразование Фурье, и первые, точно посчитанные коэффициенты в полученном ряду давали ровно то, что было нужно.
Существуют также неориентированные экземпляры. Струны могут существовать как в виде отрезка, ограниченного с обоих концов, так и в виде замкнутой петли. Причем возможны такие превращения: Отрезок или петля могут «размножиться», дав начало паре соответствующих объектов; Отрезок дает начало петле, если часть его «закольцуется»; Петля разрывается и становится открытой струной; Два отрезка обмениваются сегментами. Прочие фундаментальные объекты В 1995 году оказалось, что не одни только одномерные объекты являются кирпичиками нашего мироздания. Было предсказано существование необычных формаций — бранов — в виде цилиндра или объемного кольца, которые имеют такие особенности: Они в несколько миллиардов раз меньше атомов; Могут распространяться через пространство и время, имеют массу и заряд; В нашей Вселенной они представляют собой трехмерные объекты. Однако предполагают, что их форма гораздо более загадочна, поскольку значительная их часть может простираться в другие измерения; Многомерное пространство, которое скрывается под бранами, является гиперпространством; С этими структурами связывают существование частиц, являющихся переносчиками силы тяжести — гравитонов. Они свободно отделяются от бранов и плавно перетекают в другие измерения; На бранах локализованных также электромагнитные, ядерные и слабые взаимодействия; Наиболее важной разновидностью являются D-браны.
На их поверхности крепятся конечные точки открытой струны в тот момент, когда она проходит сквозь пространство. Критические замечания Как и всякая научная революция, эта пробивается сквозь тернии непонимания и критики со стороны адептов традиционных взглядов. Среди наиболее часто высказываемых замечаний: Введение дополнительных измерений пространства-времени создает гипотетическую возможность существования огромного количества вселенных.
Квантовая механика представляет собой основу современной физики микромира и при всей своей парадоксальности прекрасно работает во всех известных ее разделах.
Более того, из нее можно вывести и классическую физику как предел квантовой механики, устремляя к нулю постоянную Планка h, определяющую за квантовые явления. Так что можно говорить о всеобщности законов квантовой механики. Но, несмотря на огромный успех, у нее есть существенный недостаток. Один из краеугольных камней квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга например, неопределенность в определении положения и импульса , не имеет никаких обоснований.
Разумеется, практический успех — достаточное оправдание, чтобы принять это таинственное правило, но это не останавливает поисков физиками его объяснения. Струнная вселенная Изображение R.
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. Калибровочные теории с линейным или квадратичным по кривизне действием , описывающие известный нам мир, оказываются естественным классом универсальности, «выживающим» при низких энергиях. Тем самым теория струн решает одну из важнейших проблем естествознания: почему фундаментальные законы, начиная со 2-го закона Ньютона и уравнений Максвелла , зависят от ускорения. Причина в том, что они описывают лишь низкоэнергетическое приближение к действительно фундаментальной теории. В структуре Стандартной модели элементарных частиц имеются указания на её происхождение из более фундаментальной теории при высоких энергиях. Теория струн предоставляет развитую технику для формулировки и изучения подобных гипотез.
Теория суперструн популярным языком для чайников
Тегичто такое теория струн для чайников, о чем теория струн кратко, m теория струн, теория струн и м теория современное введение, теория струн сумма всех натуральных чисел. Теория струн кратко и понятно. В начале XX века учёные, благодаря классической физике, считали, что поняли, как устроен мир. Вместо теории струн со всеми десятью пространственно-временными измерениями или знакомой нам Вселенной с четырьмя протяжёнными измерениями снова рассмотрим вселенную Садового шланга. Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано[7], связанных со струнными моделями строения адронов.
Теория струн кратко и понятно
| Что такое теория струн | 1) «Теория струн» в первоначальном виде сама по себе уже устарела и сейчас это название закрепилось не за первоначальной теорией, а за целым семейством – собственно теория струн, теория суперструн и М-теория. |
| Симфония вселенной: теория струн для начинающих | В теории струн каждая струна колеблется так же, в зависимости от влияющих на нее факторов. |
| Теория струн: расширенное понимание микромира | теория струн имеет значительное значение для понимания ранней Вселенной и происхождения нашей вселенной. |
| Вы точно человек? | Теория струн, имеет все шансы разрешить главный спор в физике XX века – включить гравитационное взаимодействие в Стандартную модель. |
Симфония вселенной: теория струн для начинающих
Более того, у этих точек есть квантовые состояния, которые мы называем массой, зарядом и т. Но вы не можете многое сделать с этими точечными частицами. Это оказалось серьезным препятствием при формулировании взаимодействия между различными частицами.
Не известно ни одного эксперимента, который бы подтверждал эту гармоничную и выверенную на бумаге теорию. Историческая справка История данной парадигмы охватывает несколько десятилетий интенсивных исследований. Благодаря совместным усилиям физиков по всему миру, была разработана стройная теория, включающая концепции конденсированных сред, космологию и теоретическую математику. 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.
К 1973 году только несколько молодых физиков все еще боролись с загадочными выкладками теории струн. Одним из них был американский физик-теоретик Джон Шварц. В течение четырех лет Шварц пытался приручить непослушные уравнения, но без толку.
Помимо других проблем, одно из этих уравнений упорно описывало таинственную частицу, которая не имела массы и не наблюдалась в природе. Ученый уже решил забросить свое гиблое дело, и тут его осенило — может быть, уравнения теории струн описывают, в том числе, и гравитацию? Впрочем, это подразумевало пересмотр размеров главных «героев» теории — струн.
Предположив, что струны в миллиарды и миллиарды раз меньше атома, «струнщики» превратили недостаток теории в ее достоинство. Таинственная частица, от которой Джон Шварц так настойчиво пытался избавиться, теперь выступала в качестве гравитона — частицы, которую долго искали и которая позволила бы перенести гравитацию на квантовый уровень. Именно так теория струн дополнила пазл гравитацией, отсутствующей в Стандартной модели.
Но, увы, даже на это открытие научное сообщество никак не отреагировало. Теория струн оставалась на грани выживания. Но Шварца это не остановило.
Присоединиться к его поискам захотел только один ученый, готовый рискнуть своей карьерой ради таинственных струн — Майкл Грин. За открытие этих «оснований» в 2011 году была вручена Нобелевская премия по физике. Состояло оно в том, что расширение Вселенной не замедляется, как думали когда-то, а, наоборот, ускоряется.
Объясняют это ускорение действием особой «антигравитации», которая каким-то образом свойственна пустому пространству космического вакуума. С другой стороны, на квантовом уровне ничего абсолютно «пустого» быть не может — в вакууме постоянно возникают и тут же исчезают субатомные частицы. Такое «мелькание» частиц, как полагают, и ответственно за существование «антигравитационной» темной энергии, которая наполняет пустое пространство.
В свое время именно Альберт Эйнштейн, до конца жизни так и не принявший парадоксальные принципы квантовой механики которую он сам и предсказал , предположил существование этой формы энергии. Следуя традициям классической греческой философии Аристотеля с ее верой в вечность мира, Эйнштейн отказывался поверить в то, что предсказывала его собственная теория, а именно то, что Вселенная имеет начало. Чтобы «увековечить» мироздание, Эйнштейн даже ввел в свою теорию некую космологическую постоянную, и таким образом описал энергию пустого пространства.
К счастью, через несколько лет выяснилось, что Вселенная — вовсе не застывшая форма, что она расширяется. Тогда Эйнштейн отказался от космологической постоянной, назвав ее «величайшим просчетом в своей жизни». Сегодня науке известно — темная энергия все-таки существует, хотя плотность ее намного меньше той, что предполагал Эйнштейн проблема плотности темной энергии, кстати, — одна из величайших загадок современной физики.
Но как бы ни была мала величина космологической постоянной, ее вполне достаточно для того, чтобы убедиться в том, что квантовые эффекты в гравитации существуют. Шварц и Грин принялись за их устранение. И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории.
Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек. Именно тогда теорию струн наградили титулом Теории Всего. Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания.
И вот эти составляющие. Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц — электронов, которые кружатся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц — кварков.
Но теория струн утверждает, что на кварках дело не заканчивается. Кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны. Каждая из таких струн невообразимо мала.
Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров Солнечной системы, струна была бы размером с дерево. Так же, как различные колебания струны виолончели создают то, что мы слышим, как разные музыкальные ноты, различные способы моды вибрации струны придают частицам их уникальные свойства — массу, заряд и прочее. Знаете, чем, условно говоря, отличаются протоны в кончике вашего ногтя от пока не открытого гравитона?
Только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются. Конечно, все это более чем удивительно. Еще со времен Древней Греции физики привыкли к тому, что все в этом мире состоит из чего-то вроде шаров, крошечных частиц.
И вот, не успев привыкнуть к алогичному поведению этих шаров, вытекающему из квантовой механики, им предлагается вовсе оставить парадигму и оперировать какими-то обрезками спагетти… Пятое измерение Хотя многие ученые называют теорию струн триумфом математики, некоторые проблемы у нее все же остаются — прежде всего, отсутствие какой-либо возможности в ближайшее время проверить ее экспериментально. Ни один инструмент в мире, ни существующий, ни способный появиться в перспективе, «увидеть» струны неспособен. Поэтому некоторые ученые, кстати, даже задаются вопросом: теория струн — это теория физики или философии?..
Правда, видеть струны «воочию» вовсе не обязательно.
Пять простейших моделей суперструн оказались связаны простыми дуальностями друг с другом и с простейшей моделью мембран, т. Главным препятствием для использования этой теории в качестве обобщения Стандартной модели элементарных частиц является то, что она 10- или 11-мерна, а число 4-мерных фаз, полученных компактификацией лишних пространственных измерений, велико. Динамических принципов, позволяющих выбрать из этих фаз одну, отвечающую нашему миру, пока не найдено, поэтому модель часто соединяют с Мультиленной и апеллируют к антропному принципу. Потребности развития методов теории струн вызвали прогресс в традиционных разделах математики от алгебраической геометрии до теории чисел , от теории узлов до теории групп и породили новые парадигмы от квантовой геометрии до голографического принципа. Теория струн позволила чётко поставить задачу и обеспечила понимание чёрных дыр , ведущее к созданию квантовой теории информации.
Опубликовано 10 октября 2023 г. Последнее обновление 10 октября 2023 г.
Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи
Антропный принцип в теории струн. Теория струн сейчас — это лучшая попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, поскольку сами струны несут в себе гравитационную силу, а их вибрация является случайной, как и предсказывает квантовая механика. 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.