20–минутное видео о теории струн. Про эту теорию впервые прочитал в журнале "Юный техник" ещё в школе.
Теория струн простым языком
Если традиционно физики пытались обосновать теорию струн с помощью квантовой мезаники, Барс и Рычков исходили из того, что теория струн верна, и, исходя из постулатов этой теории, вывели принцип неопределенности. 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. Новости науки, высокие технологии и научные открытия. Теория струн — это теория о том, что фундаментальными составляющими Вселенной являются одномерные "струны", а не точечные частицы (как это принято наукой). 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. меньших, чем атомы, электроны или кварки.
Теория суперструн
- Теория струн: кратко и понятно о сложном. В чем она заключается?
- На пути к теории струн / Хабр
- Теория струн, Мультивселенная
- Что такое теория струн? Теория струн простыми словами
- Популярно о теории струн
Теория струн
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. И таких фотонов с различным количеством квантов, то есть с различной энергией, множество, в том числе это и световые фотоны. А Столетов экспериментально доказал, что свет давит. Значит, фотоны света передают измерительному органу свой импульс, а это значит, что фотоны света обладают массой и эта масса создается неимоверным количеством квантов, составляющих эти фотоны. Это не замысловатое рассуждение косвенно и подтверждает то, что масса нейтрино отлична от нулевой величины. Протон , также, как и позитрон , это тоже свернутый длиннющий положительный электрический фотон, и он тоже может, как и всякая частица, излучать и поглощать часть своего тела. В результате излучения, если хотите, назовите это распадом, может получиться протон с меньшей массой и зарядом и фотон соответствующей энергии. Или может получиться протон с меньшими параметрами и позитрон.
Один из краеугольных камней квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга например, неопределенность в определении положения и импульса , не имеет никаких обоснований.
Разумеется, практический успех — достаточное оправдание, чтобы принять это таинственное правило, но это не останавливает поисков физиками его объяснения. Струнная вселенная Изображение R. Этот результат опубликован в журнале Physics Letters. Как известно, теория струн была предложена в 1970-х годах для решения проблем квантовой гравитации и Стандартной модели. Успехи квантовой физики в описании трех негравитационных фундаментальных взаимодействий приводят физиков к мысли, что таким же образом может быть описано и гравитационное взаимодействие. Но, несмотря на активные исследования на протяжении многих десятилетий, квантовая теория гравитации до сих пор так и не создана.
Развитие квантовой теории струн Квантовая теория струн возникла как попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, создав единую теорию, которая объясняет все фундаментальные взаимодействия в природе. Она развивалась в результате нескольких ключевых открытий и прорывов. Одним из ключевых моментов в развитии квантовой теории струн было осознание ограничений и проблем традиционной физики. Традиционная физика, основанная на точечных частицах, не могла объяснить некоторые фундаментальные вопросы, такие как объединение гравитации и квантовой механики, причина массы частиц и природа темной материи и энергии. В 1960-х годах физики начали исследовать модели струн, которые могли быть основой для новой теории. Однако, в то время не было достаточно математических инструментов для полного описания струнных моделей. В 1970-х годах были сделаны важные открытия, которые привели к развитию квантовой теории струн. Это был важный шаг вперед в понимании струнных моделей. В 1980-х годах были сделаны еще большие прорывы в развитии квантовой теории струн. Операционализация и экспериментальное подтверждение квантовой теории струн до сих пор остаются сложными задачами. В настоящее время нет прямых экспериментальных данных, которые бы подтверждали предсказания квантовой теории струн. Однако, теория имеет ряд математических и концептуальных преимуществ, которые делают ее привлекательной для физиков исследователей. Развитие квантовой теории струн продолжается, исследователи по-прежнему работают над различными аспектами теории и ищут возможности для экспериментальной проверки. Квантовая теория струн предлагает новый подход к пониманию фундаментальных взаимодействий и структуры Вселенной, и ее развитие может привести к новым открытиям и пониманию природы на более глубоком уровне. Свойства и особенности квантовой теории струн Квантовая теория струн обладает рядом уникальных свойств и особенностей, которые делают ее отличной от традиционных теорий физики. Вот некоторые из них: Дополнительные измерения и сверхпространство Одной из ключевых особенностей квантовой теории струн является наличие дополнительных измерений, помимо традиционных трех пространственных и одного временного измерений. Струны могут колебаться в пространствах большего числа измерений, таких как 10-мерное или 11-мерное пространство. Эти дополнительные измерения не наблюдаются в нашем мире из-за их свернутой или скрытой природы. Сверхпространство — это пространство, в котором существуют дополнительные измерения. Оно может быть представлено как некоторая компактифицированная или свернутая форма, которая не проявляется в нашем мире. Сверхпространство играет важную роль в квантовой теории струн, поскольку оно позволяет объединить гравитацию и другие фундаментальные взаимодействия. Суперсимметрия и симметрии струнных моделей Суперсимметрия — это математическая концепция, которая позволяет установить связь между частицами с разными спинами бозоны и фермионы. В квантовой теории струн суперсимметрия играет важную роль, поскольку она позволяет устранить некоторые проблемы, связанные с наличием различных типов частиц и их взаимодействием. Струнные модели также обладают различными симметриями, которые определяют их свойства и поведение. Некоторые из них включают конформную симметрию, которая сохраняется при преобразованиях масштаба, и симметрию Пуанкаре, которая описывает инвариантность физических законов относительно преобразований пространства и времени. Уникальные математические свойства и симфония гравитации и квантовой механики Квантовая теория струн имеет уникальные математические свойства, которые делают ее сложной и интересной для исследования. Она требует использования различных математических инструментов, таких как теория групп, топология и теория функций.
Пока в доступном диапазоне экспериментов на низких энергия ТС сводится к квантовой теории поля. Квантовая механика и гравитация не стыкуются, одна применима к малым объектам атомы и т. Квантовая теория гравитации должна свести гравитацию и квантовую механику воедино, то есть исключить сингулярности. В этом направлении ТС достигла успехов, уменьшив список сингулярностей.
Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи
А теория струн может объединить эти две теории, например если сказать что световая волна это и есть струна с набором гармоник, которая и соответствует фотону. Теория струн, или Теория всего. Сравнительно недавно появился подход, дающий возможность разрешить это противоречие — теория струн. Теория струн кратко и струн — это одна из революционных и самых противоречивых теорий в физике, целью которой является объединение всех частиц и фундаментальных сил природы в единую тео.
Популярно о теории струн
Однако любые представления необходимо проверять независимым способом, и ученые после ряда экспериментов пришли к мнению, что элементарные частицы не всегда корректно представлять материальными точками. Это только математическая идеализация, которая подходит для описания определенного класса наблюдений. То есть не во всех экспериментах элементарные частицы похожи на какие-то маленькие шарики. Например, при достаточно высоких энергиях они иногда ведут себя, как волны. Кроме того, исследователи поняли, что их длина связана с переносимой ими энергией: чем выше энергия, тем короче длина волны. Частицы действительно выглядят как струны? Заряженные частицы получают в ускорителе частиц. Чем больше становится энергия частиц при столкновении в нем, тем значительнее уменьшаются расстояния, которые мы можем на нем «прощупать». На ускорителях физики и проверяют свои умозрительные заключения. Теория струн предсказывает, что если провести эксперимент при еще более высоких энергиях намного больше, чем те огромные энергии, что реализуются на современных коллайдерах , то каждая элементарная частица будет вести себя как двумерная вселенная, которая в заданный момент времени похожа на струну или очень тонкую резинку.
И только с больших расстояний такая струна выглядит, как точка. Индустрия 4. Но разные состояния теории отвечают разным типам элементарных частиц.
Его «Элегантная Вселенная» была номинирована на Пулитцеровскую премию.. Фото: npr. В то же время подход на основе квантовой хромодинамики давал более точное согласование, поэтому от идеи струн отказались. 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.
Было предсказано существование необычных формаций — бранов — в виде цилиндра или объемного кольца, которые имеют такие особенности: Они в несколько миллиардов раз меньше атомов; Могут распространяться через пространство и время, имеют массу и заряд; В нашей Вселенной они представляют собой трехмерные объекты. Однако предполагают, что их форма гораздо более загадочна, поскольку значительная их часть может простираться в другие измерения; Многомерное пространство, которое скрывается под бранами, является гиперпространством; С этими структурами связывают существование частиц, являющихся переносчиками силы тяжести — гравитонов. Они свободно отделяются от бранов и плавно перетекают в другие измерения; На бранах локализованных также электромагнитные, ядерные и слабые взаимодействия; Наиболее важной разновидностью являются D-браны. На их поверхности крепятся конечные точки открытой струны в тот момент, когда она проходит сквозь пространство. Критические замечания Как и всякая научная революция, эта пробивается сквозь тернии непонимания и критики со стороны адептов традиционных взглядов. Среди наиболее часто высказываемых замечаний: Введение дополнительных измерений пространства-времени создает гипотетическую возможность существования огромного количества вселенных. По словам математика Питера Вольта, это приводит к невозможности предсказания любых процессов или явлений. Всякий эксперимент запускает большое количество различных сценариев, которые могут быть интерпретированы различными способами; Отсутствует возможность подтверждения. Современный уровень развития техники не позволяет экспериментально подтвердить или опровергнуть кабинетные исследования; Последние наблюдения за астрономическими объектами не волне укладываются в положения теории, что заставляет ученых пересматривать некоторые свои выводы; Ряд физиков высказывают мнение, что концепция является спекулятивной и тормозит развитие других фундаментальных представлений. Пожалуй, легче доказать теорему Ферма, чем простыми словами разъяснить положения теории струн.
Итак, фундаментальные оставляющие, согласно стандартной точке зрения, являются точечными частицами, то есть точками без внутренней структуры, описываемые уравнениями квантовой теорией поля. Теория струн утверждает, что частицы не являются точечными и предлагает рассматривать их как мельчайшие струноподобные вибрирующие нити. Струны в частицах разного типа неотличимы, но вибрируют по-разному. Разным вибрационном поведением нитей в теории струн объясняется различные свойства частиц. По аналогии с гитарными струнами, разные вибрации их - порождают разное звучание музыкальных нот.
Теория струн. Что это?
Теория струн основана на гипотезе[5] о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10−35 м. Теория струн возникла в середине 1970-х годов в результате развития струнной модели строения адронов. Антропный принцип в теории струн. Просто о сложном_ структура Вселенной, квантовая физика, теория относительности.
Квантовая теория струн
Физики решили эту загадку, рассматривая эти частицы как «точку» в нашем трехмерном мире. В сочетании с четвертым измерением времени они прослеживают «мировую линию». Более того, у этих точек есть квантовые состояния, которые мы называем массой, зарядом и т.
Уникальные математические свойства и симфония гравитации и квантовой механики Квантовая теория струн имеет уникальные математические свойства, которые делают ее сложной и интересной для исследования. Она требует использования различных математических инструментов, таких как теория групп, топология и теория функций.
Математические методы, используемые в квантовой теории струн, часто связаны с алгебрами Ли, теорией представлений и дифференциальной геометрией. Квантовая теория струн также стремится объединить гравитацию и квантовую механику, две фундаментальные теории, которые до сих пор не были полностью совмещены. Она предлагает новый подход к объединению этих двух теорий, позволяя описывать гравитацию в терминах квантовых объектов — струн. Это открывает новые возможности для понимания природы пространства, времени и гравитационных взаимодействий.
Применение квантовой теории струн Квантовая теория струн имеет широкий спектр применений и вносит значительный вклад в различные области физики. Вот некоторые из них: Связь с теорией поля и инфляцией Вселенной Квантовая теория струн предлагает новый подход к объединению теории гравитации и теории поля. Она позволяет описывать гравитацию в терминах квантовых объектов — струн, что открывает новые возможности для понимания взаимодействия между элементарными частицами и гравитацией. Это может привести к разработке единой теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия в природе.
Квантовая теория струн также имеет важное значение для теории инфляции Вселенной. Инфляция — это модель, которая объясняет быстрое расширение Вселенной в первые моменты ее существования. Квантовая теория струн может предложить новые механизмы, которые могут объяснить происхождение и свойства инфляционного поля. Вклад в единое поле физики элементарных частиц Квантовая теория струн играет важную роль в поиске единой теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы.
Она предлагает новый подход к объединению гравитации и других фундаментальных сил, таких как электромагнитная, сильная и слабая силы. Квантовая теория струн может быть ключом к пониманию природы и происхождения всех фундаментальных частиц и взаимодействий. Кроме того, квантовая теория струн может предложить новые модели элементарных частиц, которые могут быть проверены экспериментально. Она может предсказать существование новых частиц, таких как суперсимметричные партнеры известных частиц, которые могут быть обнаружены на ускорителях частиц или в космических экспериментах.
Перспективы и возможности для дальнейших исследований Квантовая теория струн остается активной областью исследований, и у нее есть много перспектив и возможностей для дальнейших разработок. Ученые продолжают исследовать различные аспекты теории струн, такие как сверхсимметрия, дополнительные измерения и свойства струнных моделей. Одной из перспективных областей исследований является разработка математических методов и техник, которые позволят более точно описывать и анализировать свойства и поведение струнных моделей. Это может привести к новым математическим открытиям и развитию смежных областей физики и математики.
Кроме того, квантовая теория струн может иметь практические применения в различных областях, таких как квантовые вычисления, криптография и материаловедение. Исследования в этих областях могут привести к разработке новых технологий и приложений, которые могут иметь значительный вклад в науку и технологию. Критика и альтернативные подходы Квантовая теория струн, несмотря на свою значимость и потенциал, также подвергается критике и вызывает дискуссии среди ученых. Вот некоторые из основных критических моментов и альтернативных подходов, которые были предложены: Ограничения и проблемы квантовой теории струн Одним из основных ограничений квантовой теории струн является ее сложность и математическая трудность.
Формализм теории струн требует использования высокоабстрактных математических концепций, таких как теория операторов и топология.
Но сегодня струнная вселенная порождает больше вопросов, чем ответов В теории струн мироздание похоже на невероятно малые, вибрирующие нити энергии, способные извиваться, растягиваться и сжиматься. Физики-теоретики считают, что все сущее состоит из струн, однако проверить это экспериментальными методами до сих пор никому не удалось. Струны Вселенной Искусно сочетая в себе идеи квантовой механики и общей теории относительности ОТО , струнная теория, как полагают физики, должна построить будущую теорию гравитации. Однако сегодня ученые все больше критикуют теорию струн и все реже уделяют ей внимание из-за огромного количества вопросов, которые она порождает. Однако согласно результатам нового исследования, опубликованного в журнале Letters in Mathematical Physics , теория струн все же, имеет право на существование. Математики из университета штата Юта и Сент-Луисского университета опубликовали результаты математических расчетов о двух ветвях теории струн.
В ходе работы исследователи изучили специальное семейство компактных K3-поверхностей — связанных комплексных двумерных поверхностей. Они представляют собой важные геометрические инструменты для понимания симметрий физических теорий. Пример поперечного сечения поверхности K3 в 3-х мерном пространстве, используемой математиками для изучения струнных двойственностей между F-теорией и гетеротической теорией в восьми измерениях. Напомним, что одной из важных особенностей теории струн является то, что она требует дополнительных измерений пространства-времени для математической согласованности.
Исследователи из Университета Южной Калифорнии предприняли попытку объяснить происхождение принципа неопределенности в квантовой механике, выведя его из струнной теории поля. 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.
Теория суперструн популярным языком для чайников
Теория струн, вероятно, это одна из самых интригующих гипотез в мире науки. Теория струн взяла на вооружение старую идею Калуцы-Клейна о скрытом «дополнительном» измерении и значительно расширила ее. теория струн имеет значительное значение для понимания ранней Вселенной и происхождения нашей вселенной. Что такое теория струн, какие пять основных элементов в нее входят, является ли она теорией всего, какие у нее недостатки в статье на Как теория струн стала «теорией всего». Где-то к началу 1980-х ученые поняли, что теория струн, изначально придуманная для описания взаимодействий адронов, имеет более фундаментальный характер.
Теория струн: кратко и понятно о сложном. В чем она заключается?
Теория струн пытается объединить четыре силы – электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию – в одну. В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно. Причина, по которой теория струн является потенциальной теорией всего, заключается в том, что она предсказывает, что все формы материи состоят из струн, и, следовательно, все на самом деле состоит из одного и того же «вещества».