Теория струн, тем не менее, дает первое фундаментальное обоснование давно открытого свойства чёрных дыр, невозможность объяснения которого многие годы тормозила исследования физиков, работавших с традиционными теориями. Теория струн предположительно решает эту проблему и стремится описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации.
Обнаружено новое доказательство теории струн
| Что такое Теория струн и существует ли 10-ое измерение | Теория струн расширила симметрию до суперсимметрии, из которой следовало, что моды колебаний струны реализуются парами суперпартнёров, спин которых отличается на. |
| Обнаружено новое доказательство теории струн - | Теория струн — это теория о том, что фундаментальными составляющими Вселенной являются одномерные "струны", а не точечные частицы (как это принято наукой). |
| Современное состояние теории струн | Зачем физики ищут симметрию между элементарными частицами, и почему для работы теории струн нужно двадцать шесть измерений. |
| Теория струн для чайников | В теории струн мироздание похоже на невероятно малые, вибрирующие нити энергии, способные извиваться, растягиваться и сжиматься. |
| Теория струн в математической физике: кратко и простыми словами | Как и любая неподтвержденная теория, теория струн имеет ряд проблем, которые говорят о том, что она требует доработки. |
Теория струн простыми словами
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 Цель, к которой стремятся ученые, исследуя суперструны — «теория всего», т. В случае успеха она могла бы прояснить многие вопросы строения нашей вселенной.
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.
Классическая аналогия, используемая при рассмотрении многомерного пространства, — садовый шланг [54]. Если наблюдать шланг с достаточно далёкого расстояния, будет казаться, что он имеет только одно измерение — длину. Но если приблизиться к нему, обнаруживается его второе измерение — окружность. Истинное движение муравья, ползающего по поверхности шланга, двумерно, однако издалека оно нам будет казаться одномерным. Дополнительное измерение доступно наблюдению только с относительно близкого расстояния, поэтому и дополнительные измерения пространства Калаби — Яу доступны наблюдению только с чрезвычайно близкого расстояния, то есть практически не обнаруживаемы.
Локализация Другой вариант — локализация — состоит в том, что дополнительные измерения не столь малы, однако в силу ряда причин все частицы нашего мира локализованы на четырёхмерном листе в многомерной вселенной мультивселенной и не могут его покинуть. Этот четырёхмерный лист брана и есть наблюдаемая часть мультивселенной. Поскольку мы, как и вся наша техника, состоим из обычных частиц, то мы в принципе неспособны взглянуть вовне. Единственная возможность обнаружить присутствие дополнительных измерений — гравитация. Гравитация, будучи результатом искривления пространства-времени, не локализована на бране, и потому гравитоны и микроскопические чёрные дыры могут выходить вовне. В наблюдаемом мире такой процесс будет выглядеть как внезапное исчезновение энергии и импульса, уносимых этими объектами. 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.
Эта теория описывает одномерные, вибрирующие волокнистые объекты, называемые «струнами», которые распространяются в пространстве-времени и взаимодействуют друг с другом. Несмотря на то, что сегодня популярностью среди физиков пользуются другие теории, ученые постепенно, кусочек за кусочком, продолжают открывать и расшифровывать фундаментальные струны физической Вселенной с помощью математических моделей. Так, согласно результатам нового исследования, математики из университета штата Юта обнаружили новое доказательства теории струн. 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.
Именно поэтому физики, занимающиеся теорией струн, рассматривают вселенную, в которой более четырёх пространственно-временных измерений. В начале XX столетия в нескольких статьях математика Калуцы и физика Клейна было высказано предположение о существовании измерений, легко ускользающих от обнаружения. Они предсказывали, что в отличие от привычных пространственных измерений, простирающихся на большие или даже бесконечные расстояния, могут существовать дополнительные измерения, настолько малые и скрученные, что их очень трудно увидеть. На рисунке поверхность высокой трубочки имеет два измерения; длинное вертикальное измерение легко увидеть, а малое круговое измерение обнаружить труднее. Из предложения Калуцы—Клейна следует, что похожее различие между одними измерениями, большими и легко видимыми, и другими, малыми и слабо различимыми, может иметь место и для структуры самого пространства. Причина, по которой мы всё знаем о привычных трёх пространственных измерениях, может быть в том, что их протяжённость велика может даже бесконечны. Однако если дополнительное пространственное измерение скручено и имеет чрезвычайно малый размер, то оно совершенно равноправно обычным нескрученным измерениям и при этом остаётся невидимым даже для самого мощного современного увеличивающего оборудования. Так начиналась теория Калуцы—Клейна, гипотеза о том, что наша Вселенная имеет больше трёх пространственных измерений.
Если вернуться в 1920-е годы, откуда вообще возникла такая экзотическая идея? Калуца заинтересовался этим, потому что вскоре после публикации Эйнштейном общей теории относительности ему на ум пришла одна идея. Он обнаружил, что может модифицировать уравнения Эйнштейна и применить их ко вселенной с одним дополнительным пространственным измерением. Результат изучения модифицированных уравнений оказался захватывающим. Среди модифицированных уравнений Калуца обнаружил уравнения, уже применённые Эйнштейном для описания гравитации в трёх пространственных и одном временном измерениях. Но поскольку новая формулировка включала одно дополнительное пространственное измерение, Калуца обнаружил дополнительное уравнение. Получив это уравнение, Калуца распознал в нём уравнение электромагнитного поля, обнаруженное Максвеллом полувеком ранее. Как показал Калуца, во вселенной с одним дополнительным пространственным измерением гравитация и электромагнетизм могут быть описаны единым образом как пространственно-временные искривления.
Но гравитация рябит в привычных трёх пространственных измерениях, а электромагнетизм — в четвёртом. Огромной проблемой для гипотезы Калуцы стало объяснение того, почему мы не видим четвёртое пространственное измерение. Именно тогда Калуца предложил описанное выше решение: дополнительные измерения, если они достаточно малы, могут ускользать от фиксации нашими органами чувств и оборудованием. Однако последующие исследования показали, что программа Калуцы—Клейна сталкивается с некоторыми препятствиями, самым трудным из которых является невозможность встроить детальные свойства частиц материи, таких как электрон, в математическую структуру. В течение двух десятилетий предлагались и отвергались различные способы обойти эту проблему. Однако поскольку не было предложено ни одного подхода, свободного от этих недостатков, то к середине 1940-х годов идея объединения через дополнительные измерения практически была забыта. Спустя тридцать лет возникла теория струн. Математический аппарат теории струн не просто разрешал существование во Вселенной дополнительных измерений, он требовал их присутствия.
Теория струн возродила программу Калуцы—Клейна, и к середине 1980-х годов учёные во всём мире воодушевлённо полагали, что это только вопрос времени, когда теория струн приведёт к полному описанию всей материи и взаимодействий. Большие надежды В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно. При таком возбуждении понятно, что некоторые теоретики заговорили о скорой революции в решении основных проблем фундаментальной физики: слиянии гравитации и квантовой механики, объединении всех сил в природе, выяснении происхождения Вселенной. Но более умудрённые физики полагали, что такие надежды преждевременны. Теория струн настолько насыщена, обширна и математически трудна, что спустя почти три десятилетия после первой эйфории современные учёные одолели лишь часть исследовательского пути. С учётом того, что мир квантовой гравитации в сотни миллиардов миллиардов раз меньше чем всё, что мы сегодня можем экспериментально измерить, дорога будет длинная, даже по самым скромным оценкам. Теория струн и свойства частиц Один из самых основных вопросов всей физики стоит так: почему частицы, которые наблюдаются в природе, являются именно такими, а не какими-нибудь другими? Интерес к этому вопросу непросто академический, он отражает очень важный факт.
Если бы у частиц были другие свойства, ядерные процессы, питающие звёзды, подобные нашему Солнцу, были бы нарушены. Вселенная без звёзд была бы совсем другой. Очевидно, что без солнечного света и тепла не возникла бы сложная цепочка событий, приведшая к возникновению жизни на Земле. Поэтому возникает фундаментальный вопрос: как с помощью ручки, бумаги и, возможно, компьютера, а также руководствуясь нашим пониманием законов природы, вычислить свойства частиц и получить результаты, которые согласуются с экспериментальными данными. В рамках квантовой теории поля ответа на этот вопрос нет и не может быть. В квантовой теории поля измеренные свойства частиц выступают в качестве исходных данных — на их основе строится и определяется сама теория. Сможет ли теория струн справиться с этим лучше? Одна из самых красивых черт струнной теории состоит в том, что свойства частиц определяются размером и формой дополнительных измерений.
Поскольку струны очень малы, они вибрируют не только в трёх привычных больших измерениях, но и в малых, свёрнутых измерениях. Колебания струн в струнной теории определяются формой скрученных измерений. Вспоминая, что вибрационное поведение струн определяет свойства частиц, такие как массу и электрический заряд, мы видим, что эти свойства диктуются геометрией дополнительных измерений. Поэтому если достоверно известно, как выглядят дополнительные измерения в теории струн, то можно легко предсказать любые свойства вибрирующих струн и, следовательно, все свойства элементарных частиц, порождённых колебаниями струны. Трудность, как и раньше, в том, что никто не знает, какова точная геометрическая форма дополнительных измерений. Уравнения теории струн накладывают математические ограничения на геометрию дополнительных измерений и требуют, чтобы они принадлежали частному классу так называемых пространств Калаби—Яу. Проблема в том, что нет какой-то одной, выделенной формы Калаби—Яу. Наоборот, эти пространства имеют разные размеры и контуры.
Дополнительные измерения, различающиеся по размерам и по форме, порождают разные вибрации струн и, следовательно, разные наборы свойств частиц. Отсутствие однозначной спецификации для дополнительных измерений является главным камнем преткновения, который не позволяет струнным теоретикам делать конкретные предсказания. В середине 1980-х годов, было известно небольшое количество пространств Калаби—Яу, поэтому можно было надеяться проанализировать каждое из них и соотнести с известной физикой. Спустя несколько лет, число пространств Калаби—Яу возросло до нескольких тысяч, что стало серьёзной задачей для обстоятельного изучения. Время шло и число страниц в каталоге пространств Калаби—Яу только увеличивалось. Теперь их больше чем песчинок на пляже. И речи быть не может о том, чтобы математически рассмотреть каждое на роль дополнительных измерений. Поэтому струнные теоретики продолжают поиск математической подсказки, которая позволит выделить из всех возможных пространств Калаби—Яу то самое, единственное.
Теория суперструн кратко и понятно
Но теория струн предсказывает наличие и других — дополнительных — измерений. Но начнем по порядку. На самом деле, идея о существовании других измерений возникла почти сто лет назад. Пришла она в голову никому не известному тогда немецкому математику Теодору Калуца в 1919 году. Он предположил возможность наличия в нашей Вселенной еще одного измерения, которое мы не видим. Об этой идее узнал Альберт Эйнштейн, и сначала она ему очень понравилась. Позже, однако, он засомневался в ее правильности, и задержал публикацию Калуцы на целых два года. В конечном счете, правда, статья все-таки была опубликована, а дополнительное измерение стало своеобразным увлечением гения физики. Как известно, Эйнштейн показал, что гравитация есть не что иное, как деформация измерений пространства-времени.
Калуца предположил, что электромагнетизм тоже может быть рябью. Почему же мы ее не наблюдаем? Калуца нашел ответ на этот вопрос — рябь электромагнетизма может существовать в дополнительном, скрытом измерении. Но где оно? Ответ на этот вопрос дал шведский физик Оскар Клейн, который предположил, что пятое измерение Калуцы свернуто в миллиарды раз сильнее, чем размеры одного атома, поэтому мы и не можем его видеть. Идея о существовании этого крошечного измерения, которое находится повсюду вокруг нас, и лежит в основе теории струн. Одна из предполагаемых форм дополнительных закрученных измерений. Внутри каждой из таких форм вибрирует и движется струна — основной компонент Вселенной.
Все они имеют очень закрученную и искривленную сложную форму. И все — невообразимо малы. Каким же образом эти крошечные измерения могут оказывать влияние на наш большой мир? Согласно теории струн, решающее: для нее все определяет форма. Когда на саксофоне вы нажимаете разные клавиши, вы получаете и разные звуки. Это происходит потому, что при нажатии той или иной клавиши или их комбинации, вы меняете форму пространства в музыкальном инструменте, где циркулирует воздух. Благодаря этому и рождаются разные звуки. Теория струн полагает, что дополнительные искривленные и закрученные измерения пространства проявляются похожим образом.
Формы этих дополнительных измерений сложны и разнообразны, и каждое заставляет вибрировать струну, находящуюся внутри таких измерений, по-разному именно благодаря своим формам. Ведь если предположить, например, что одна струна вибрирует внутри кувшина, а другая — внутри изогнутого почтового рожка, это будут совершенно разные вибрации. Впрочем, если верить теории струн, на деле формы дополнительных измерений выглядят куда сложнее кувшина. Как устроен мир Науке сегодня известен набор чисел, которые являются фундаментальными постоянными Вселенной. Именно они определяют свойства и характеристики всего вокруг нас. 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.
Шерк и Шварц обнаружили, что эти характеристики в точности реализуются для некоторых мод колебаний. Основываясь на этом, они предположили, что первое пришествие теории струн закончилось неудачей из-за того, что физики чрезмерно сузили область её применения. Шерк и Шварц объявили, что теория струн — это не просто теория сильного взаимодействия, это квантовая теория, которая, помимо всего прочего, включает гравитацию.
В действительности, по воспоминаниям Шварца, «наша работа была проигнорирована всеми». Теория струн потерпела неудачу в своей первоначальной попытке описать сильное взаимодействие, и многим казалось бессмысленным пытаться использовать её для достижения ещё более великих целей. Последующие, более детальные исследования конца 1970-х и начала 1980-х гг. Создавалось впечатление, что гравитационная сила вновь смогла устоять перед попыткой встроить её в описание мироздания на микроскопическом уровне. Так было до 1984 г.
В своей статье, сыгравшей поворотную роль и подытожившей более чем десятилетние интенсивные исследования, которые по большей части были проигнорированы или отвергнуты большинством физиков, Грин и Шварц установили, что незначительное противоречие с квантовой теорией, которым страдала теория струн, может быть разрешено. Более того, они показали, что полученная в результате теория обладает достаточной широтой, чтобы охватить все четыре вида взаимодействий и все виды материи. Весть об этом результате распространилась по всему физическому сообществу: сотни специалистов по физике элементарных частиц прекращали работу над своими проектами, чтобы принять участие в штурме, который казался последней теоретической битвой в многовековом наступлении на глубочайшие основы мироздания. 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.
Особенность теории струн заключается в том, что она требует наличия дополнительных измерений пространства. В то время, как мы обычно представляем себе только три пространственных измерения длина, ширина и высота , теория струн требует наличия дополнительных измерений, чтобы объяснить все фундаментальные взаимодействия.
Эти дополнительные измерения могут быть свернуты в маленькие крошечные размерности, которые мы не можем наблюдать напрямую. Одной из ключевых идей теории струн является то, что различные физические частицы могут быть интерпретированы как различные режимы колебания струн. Таким образом, все частицы и силы природы могут быть объяснены как результат вибраций струн различной формы и энергии. Эта концепция позволяет нам объединить все фундаментальные частицы и взаимодействия в одну единую теорию. Главное преимущество теории струн является ее способность объединить общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику. Такая объединенная теория, называемая "теорией струн M-теории", может предложить нам новое понимание о том, как работает Вселенная на самом фундаментальном уровне.
Однако, несмотря на все потенциальные преимущества и красоту теории струн, она также сталкивается с некоторыми трудностями. Например, для полного понимания теории струн требуется наличие дополнительных измерений, которые мы не можем наблюдать напрямую. Кроме того, теория струн может иметь множество различных решений, что делает сложным выбор конкретной модели, соответствующей нашей Вселенной. Тем не менее, теория струн остается одной из самых обещающих идей в физике современности. Она предлагает новые возможности для объединения различных ветвей физики и может привести к новым открытиям и пониманию микромира. Многие ученые продолжают работать над развитием этой теории и надеются, что она приведет нас к новому пониманию основных законов природы.
В заключение, теория струн представляет собой увлекательное направление физики, которое может изменить наше понимание о строении Вселенной. Она предлагает объединение всех фундаментальных сил и частиц в одну единую теорию и открывает новые возможности для изучения микромира. Несмотря на некоторые сложности, теория струн продолжает привлекать внимание исследователей и может привести к новым открытиям, которые изменят наше представление о физике. Где почитать о теории струн? Научно-популярная Вайнберг С. Мечты об окончательной теории: физика в поисках самых фундаментальных законов природы: Пер.
Теории струн посвящена 9-я глава «Контуры окончательной теории».
Традиционные разделы физики, посвященные этому предмету, ограничиваются простейшими случаями, когда имеется мало различных фазовых состояний и переходы между ними представляются довольно отчетливыми. Однако, в последнее время все больший интерес представляют собой системы, в которых это далеко не так.
Открыты физические системы, в которых число различных фаз неограничено и, более того, существенны процессы перехода одной фазы в другую. Понятно, что описание таких систем должно строиться из каких-то иных, нетрадиционных соображений. Наиболее известные из таких систем — спиновые стекла системы хаотически ориентированных спинов и нейронные сети.
Струнный подход к описанию таких систем основан на упомянутой выше переформулировке возникающей задачи в новых терминах, сглаживающих такие существенные различия между различными фазами и уравнениями, как число переменных, порядок и число уравнений и даже размерность пространства, в котором они записаны. Но тут сразу следует указать, что практического применения открывающихся в этом направлении возможностей пока дело не дошло. Изучение этих возможностей находится на начальной стадии развития.
Объединение фундаментальных взаимодействий Эта проблема заслуживает отдельного рассмотрения, вследствие своей особой роли в естествознании. И тем более, ее нельзя обойти, поскольку создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий — самый амбициозный проект, связанный со струнами, у истоков которого стоял Альберт Эйнштейн. Фактически имеется целых два проекта, а не один, которые не исключают, а скорее дополняют друг друга.
Однако каждый из проектов имеет смысл и сам по себе. И если один из них в итоге будет признан несостоятельным, это не приведет к автоматическому закрытию второго. Первый сценарий, который можно считать наивным и прямолинейным приложением теории струн, приписывает струнам фундаментальную природу — элементарными следует считать не точечные частицы, а одномерные протяженные объекты.
Примером может служить фотон, который в терминах теории струн представляется как замкнутая струна без натяжения нуль-струна. Отсутствие натяжения у нуль-струны соответствует отсутствию у фотона массы покоя. С точки зрения стандартной модели, активно используемой в современной физике элементарных частиц, это равносильно предположению о существовании бесконечно большого разнообразия частиц с упорядоченным определенным способом набором масс, спинами и структурой взаимодействия.
Замечательно, что такая гипотеза не приводит не только к противоречиям с имеющимися экспериментальными данными. Более того, это предположение позволяет улучшить теорию поля, поскольку оно устраняет некоторые противоречия, характерные для квантовой теории поля. Главным же недостатком такого подхода является отсутствие критерия выбора такой теории.
Струнных моделей оказывается ни сколько не меньше, чем обычных и при этом, отсутствуют критерии, позволяющие отдать какой-либо из них предпочтение. С попыткой избавиться от такого модельного многообразия связан второй сценарий Великого Объединения. Суть его состоит в попытке отождествления квантовой теории поля и струнных моделей с каким-то объединением этих моделей.
Другими словами, эти модели в рамках такого подхода отождествляются с различными фазами единой теории, в которые попадает система при определенных условиях. Следующим шагом должно быть создание динамики на этом пространстве. Есть надежда, что теория струн, по крайней мере, может предоставить принципиальную возможность реализации подобного сценария, хотя от этой возможности до ее реализации еще очень и очень далеко.
И в последнюю группу задач, решаемых теорией струн можно выделить проблемы чисто математического характера, решение которых тоже носит принципиальный характер. Но на этих проблемах, в силу их достаточной математической сложности, абстрактности и специфичности останавливаться не будем. Струна, как физический объект Уважаемый читатель, если ты пробрался через общую характеристику проблем, стоящих перед теорией струн, поговорим о струнах, как физическом объекте.
Струна в самом простейшем понимании — это одномерный протяженный объект с натяжением.
Обнаружено новое доказательство теории струн
| Симфония вселенной: теория струн для начинающих | Объединить эти два подхода призвана теория струн. Кратко и понятно объяснить ее можно, используя аналогии в повседневной жизни. |
| Теория суперструн кратко и понятно | Как и любая неподтвержденная теория, теория струн имеет ряд проблем, которые говорят о том, что она требует доработки. |
| Что такое теория струн | Заметьте, что теория струн совсем не противоречит, а скорее дополняет Стандартную модель, в основу которой заложена теория строения атома Бора, критикуемая в начале этой статьи. |
Что такое теория струн простыми словами (насколько это возможно)?
Теория струн может и не станет теорией всего, но это хотя бы теория чего-то. Теория струн расширила симметрию до суперсимметрии, из которой следовало, что моды колебаний струны реализуются парами суперпартнёров, спин которых отличается на. Квантовая теория струн – это фундаментальная теория, которая стремится объединить квантовую механику и общую теорию относительности. Теория струн воспринималась как теория ядерного взаимодействия (в ядре атома удерживаются нейтроны и протоны). 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». Теория струн кратко и понятно. В начале XX века учёные, благодаря классической физике, считали, что поняли, как устроен мир.
Теория суперструн популярным языком для чайников
Это если говорить обыденным языком. А математики и физики вовлекли свои теории в формулы. И вот, когда формулы квантовой физики и ОТО попытались соединить, то в ответе получилась бесконечность. Бесконечность в физике равносильна утверждению, что уравнение построено неправильно. Полученное равенство перепроверяли на много раз, но ответ по-прежнему был бесконечностью. Теория струн внесла коренные изменения в будничный мир науки. Она представляет собой постановление о том, что все микрочастицы не шарообразной формы, а формы вытянутых струн, которые пронизывают всю нашу вселенную. Такие величины как масса, скорость частиц и прочее устанавливаются колебаниями этих струн. Каждая такая струна по теории находится в многообразии Калаби-Яу. Эти многообразия представляют собой очень искривленное пространство. По теории многообразия ничем не соединены в пространстве и находятся маленькими клубочками по отдельности.
Для них везде начнут появляться отрезки, которые будут резко менять свою длину и положение. Вычислить длину или координаты этих объектов в двумерном мире будет просто невозможно. Надеюсь, теперь вы немного въехали в то, что я пытаюсь вам здесь втереть. Мы живем в трехмерном мире и видим все объекты двумерными. Лишь тот факт, что они или мы перемещаемся в пространстве, позволяет нам говорить о том, что у всего есть объем. А теперь представьте, что в наш мир вторглось какое-то пятимерное существо. Не ломайте голову, все равно у вас ничего не получится. Вы будете видеть его таким же двумерным, но с очень и очень странными свойствами. Потому что вместе с его перемещением в пространстве и времени вы не только обнаружите его объем, но и другие свойства, которые, плюс ко всему, будут постоянно меняться. Сейчас вернемся к теории струн и попробуем вообразить себе объект, имеющий 10 измерений.
Шучу, не будем мы это делать. Потому что, думаю, уже и так всем понятно, что это бессмысленно и бесполезно. Этот объект по сути должен существовать везде и нигде, всегда и никогда. Наш мозг попросту не способен этого представить. Нечто подобное было описано в одном псевдонаучном фантастическом фильме под названием «Господин Никто». Там также затрагивается теория струн, и в очень киношной форме представляется то, каково это, жить сразу во всех десяти измерениях. В общем и целом, кино нудное, местами непонятное и не для всех. Но для базового, немного упрощенного и приукрашенного ознакомления с теорией струн сойдет. Все же знакомы со схематическими изображениями, на которых массивные небесные тела искривляют пространство вокруг себя под действием гравитации? Так вот искривляется не только пространство, но и время.
Это сильно влияет на то, как идет время в космосе , можете почитать. Но сейчас не об этом. Сейчас вопрос стоит в том, куда именно гравитация искривляет пространство-время? Ответа на этот вопрос мы дать не можем, так как ни одним из существующих измерений описать этот процесс невозможно. Время С трехмерным пространством более ли менее разобрались, но не будем забывать и про время — четвертое измерение. Ведь нам же мало знать, «где». Для жизни в нашем мире обязательно нужно еще и «когда». Так как время — это тоже координата, то всю временную линию можно описать как луч. Вспоминайте школьный курс математики, что такое луч? Это линия, имеющая начало, но не имеющая конца.
Время движется только вперед, и никак иначе. Реально лишь настоящее, и ни будущего, ни прошлого по сути вообще не существует. Однако теория относительности может с этим поспорить. Она говорит о том, что время — такое же измерение, как и остальные три. А значит, все, что было, есть и будет, одинаково реально. Все относительно и зависит лишь от нашего восприятия. С точки зрения времени, человечество выглядит как-то так: Однако мы видим лишь определенную проекцию времени, небольшой его отрезок. И в каждый отдельный момент он будет различным. Чувствуете, где-то мы уже видели один и тот же объект по-разному в зависимости от его положения? То самое брокколи в МРТ.
Даже теория струн придерживается того, что временное измерение только одно. Все остальные пространственные. Но почему пространство такое гибкое, а время лишь одно? Ответа на этот вопрос сейчас нет. Вы уже и сами поняли, как трудно представить несколько лишних пространственных измерений, поэтому даже подумать сложно, как могут ощущаться несколько временных. Некоторые ученые, как, например, Ицхак Барс, американский астрофизик, считают, что главной проблемой несостыковок в теории суперструн является как раз-таки игнорирование нескольких временных измерений.
Основные свойства струн согласно современным представлениям: Длина их чрезвычайно мала — около 10-35 метров. В подобном масштабе становятся различимы квантовые взаимодействия; Однако в обыкновенных лабораторных условиях, которые не имеют дела с такими мелкими объектами, струна абсолютно неотличима от безразмерного точечного объекта; Важной характеристикой струнного объекта является ориентация. Струны, обладающие ей, имеют пару с противоположным направлением. 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.
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. Нужно больше коэффициентов? Просто проводим дополнительные эксперименты — и все. Сначала математики не поверили, конечно: мол, как так — мы бились, у нас ничего не получалось, а тут какой-то эксперимент и все? Но потом, поглядев на эти числа достаточно долго, они вдохновились и придумали, как решить задачу уже для произвольных чисел вращения. Теория струн не единственная претендует на звание теории всего. Расскажите про ее основных конкурентов. Пожалуй, лучше всего развита петлевая квантовая гравитация. Чтобы понять основную идею, нужно сделать шаг назад. Необходимо понимать, что изначально физики пытались применить к уравнениям теории относительности стандартный подход квантовой механики, то есть проквантовать их так же, как, например, электромагнитное взаимодействие. Из этого ничего не получилось. Если обратиться к теории струн, то «квантованная» в некотором смысле гравитация там появляется сама собой. Она оказывается следствием фундаментальных свойств самой теории, нам не приходится насильно склеивать теорию относительности и квантовую механику. Петлевая же гравитация занимается именно этим, то есть пытается склеить ТО и квантовую механику. Для этого уравнения Эйнштейна переписываются совсем в другом но эквивалентном исходному, это важно виде, в совершенно других переменных. При этом оказывается, что в таком виде уравнения уже поддаются квантованию, пусть и не совсем классическому. Полученные при этом квантовые переменные могут пониматься как петли — отсюда и название.
Симфония вселенной: теория струн для начинающих
Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации. Понятно, что с математиче ской точки зрения с гладкими поверхностями работать гораздо лучше и плодотворнее, чем с сингулярными — в этом объяснение успехов математи ческого аппарата теории струн. 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. 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. В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно. Антропный принцип в теории струн.
Квантовая механика – следствие теории струн?
Теория струн расширила симметрию до суперсимметрии, из которой следовало, что моды колебаний струны реализуются парами суперпартнёров, спин которых отличается на. Теория струн основана на идее физики о том, что все известные силы, частицы и взаимодействия могут быть связаны. В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеми новостями было практически невозможно.
Теория струн для чайников
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? Ну, быстрый ответ - нет.
Зачем нужны другие частицы - пока непонятно : Весь этот набор назвают "Стандартной моделью".
Надо отметить, что в ней все частицы являются точками, не имеющими размеров, их рисуют шариками скорее для красоты. И удобства. Взаимодействия между частицами описываются "Квантовой теорией поля" и это самая точная, самая фундаментальная, глобальная теория из всех, что есть и она может рассчитать многое. Но уже далеко не всё. Почему всё настроено именно так? С помощью Стандартной модели нельзя объяснить, почему массы, заряды, и другие параметры частиц именно такие. Почему электроны в 1800 раз тяжелее протона?
Почему у нейтрино есть масса - а у глюона нет? Выглядит всё так, как будто кто-то настроил всё на огромном пульте для Вселенной! Да ещё и так точно, что до сих пор всё ничего не развалилось. Что такое чёрные дыры с точки зрения современной науки и какое значение имеет их исследование для понимания Вселенной. Гравитацию отлично описывает Общая Теория Относительности, ка следствие искривления пространства и времени. Почему бы их, теории, не связать? Оказывается, не получится.
Теория относительности и Квантовая теория вообще не совместимы, и во многом даже противоречат друг другу! Так чтогравитация для стандартной модели - та ещё боль. Стандартная модель не даёт ответа, что такое тёмная материя? Ну и что такое "тёмная энергия"? Почему частиц во Вселенной больше, чем античастиц?
Во-вторых, понятие T-дуальности, то есть дуальности малых и больших радиусов в его тесной связи с существованием минимального размера в теории струн, имеет значение и в космологии. В-третьих, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырёх, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений. Модель Бранденберга и Вафы[ ] В конце 1980-х гг. Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа сделали первые важные шаги к пониманию того, к каким изменениям в следствиях из стандартной космологической модели приведет использование теории струн. Они пришли к двум важным выводам. Во-первых, по мере движения назад к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до момента, когда размеры Вселенной по всем направлениям сравняются с планковской длиной. В этот момент температура достигнет максимума и начнёт уменьшаться. На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления. Предположим для простоты следуя Бранденбергеру и Вафе , что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. Из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. Поскольку температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению роста температуры и её дальнейшему снижению. В результате Бранденбергер и Вафа пришли к следующей космологической картине: сначала все пространственные измерения в теории струн плотно свернуты до минимальных размеров порядка планковской длины. Температура и энергия высоки, но не бесконечны: парадоксы начальной точки нулевого размера в теории струн решены. В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения теории струн совершенно равноправны и полностью симметричны: все они свернуты в многомерный комок планковских размеров. Далее, согласно Бранденбергеру и Вафе, Вселенная проходит первую стадию понижения симметрии, когда в планковский момент времени три пространственных измерения отбираются для последующего расширения, а остальные сохраняют исходный планковский размер. Затем эти три измерения отождествляются с измерениями в сценарии инфляционной космологии и в процессе эволюции принимают наблюдаемую теперь форму. Модель Венециано и Гасперини[ ] После работы Бранденбергера и Вафы физики непрерывно продвигаются вперёд к пониманию струнной космологии. В числе тех, кто идет во главе этих исследований — Габриэле Венециано и его коллега Маурицио Гасперини из Туринского университета. Эти учёные представили свой вариант струнной космологии, который в ряде мест соприкасается с описанным выше сценарием, но в других местах принципиально отличается от него. Как Бранденбергер и Вафа, для исключения бесконечной температуры и плотности энергии, которые возникают в стандартной и инфляционной модели, они опирались на существование минимальной длины в теории струн. Однако вместо вывода о том, что в силу этого свойства Вселенная рождается из комка планковских размеров, Гасперини и Венециано предположили, что существовала доисторическая вселенная, возникшая задолго до момента, который называется нулевой точкой, и породившая этот космический « эмбрион » планковских размеров. Исходное состояние Вселенной в таком сценарии и в модели Большого взрыва очень сильно различаются. Согласно Гасперини и Венециано, Вселенная не являлась раскаленным и плотно скрученным клубком измерений, а была холодной и имела бесконечную протяженность. Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все её точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны. Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось всё более искривлённым и в результате произошел резкий скачок температуры и плотности энергии. Прошло немного времени, и трёхмерная область миллиметровых размеров внутри этих бескрайних просторов преобразилась в раскалённое и плотное пятно, тождественное пятну, которое образуется при инфляционном расширении по Гуту. Затем все пошло по стандартному сценарию космологии Большого взрыва , и расширяющееся пятно превратилось в наблюдаемую Вселенную. Поскольку в эпоху до Большого взрыва происходило своё инфляционное расширение, решение парадокса горизонта, предложенное Гутом, оказывается автоматически встроенным в этот космологический сценарий. По выражению Венециано в интервью 1998 г. Изучение струнной космологии быстро становится областью активных и продуктивных исследований. Например, сценарий эволюции до Большого взрыва уже не раз был поводом горячих споров, а его место в будущей космологической формулировке далеко не очевидно. Однако нет сомнений, что эта космологическая формулировка будет твёрдо опираться на понимание физиками результатов, открытых во время второй суперструнной революции.
Если на вашем пути поставить какое-либо препятствие, вы в лепешку расшибетесь, но обогнуть его не сможете. Зато на такой линии уже можно определить нахождение объекта по одной координате. Итак, представьте, что на отрезке все-таки возникло препятствие, как его обойти? Логично, что нужно добавить еще одно измерение, ибо в одном никак. Поэтому дорисовываем где-нибудь рядом с этой линией еще одну точку. Совместим ее с любой из двух других точек и получим двумерную систему координат. Теперь у нас есть два измерения — длина и ширина. Но для настоящего 3D-пространства нам все еще не хватает высоты. Поэтому сейчас мы будем творить настоящую магию. Добавим еще одну точку и соединим ее с той, с которой соединяли предыдущую. Теперь мы можем двигаться как вперед и в сторону, так и вверх-вниз. Мы получили трехмерное пространство, в котором мы же с вами и живем. Ну и не забываем про время, конечно же. Думаю, вы все уже задались вопросом: как это все вяжется с теорией струн? Скоро все поймете, мы же тут для чайников разжевываем, поэтому все по порядку. Вам же понравилось рисовать? Поэтому давайте продолжим. Нарисуем двух человечков в двумерном пространстве. Назовем их Федор и Вадим. Мы с вами видим их такими: Однако Федор и Вадим существуют в 2D-пространстве, поэтому они видят друг друга так: А теперь нарисуем Федора сверху: Как теперь Вадим будет видеть своего товарища? Вот так: Из этого следует, что, как ни крути, эти ребята будут видеть друг друга как одномерные отрезки, но мы то с вами знаем, что оба они двумерны. Вы и так уже наверняка догадались, почему. Все из-за точки обзора. Мы с вами видим Федора как объект, имеющий длину и ширину, а Вадим недоумевает и говорит, что мы свихнулись, и перед нами простой отрезок с одним единственным измерением. Тот факт, что Вадим живет на плоскости, попросту не позволяет ему даже представить, как по-настоящему выглядят объекты в его мире. И я уже не говорю о том, как сильно будет болеть его плоский мозг, пытаясь представить трехмерное изображение. А сейчас попытайтесь представить, что в спокойную двуразмерную жизнь Федора и Вадима резко врывается некий 3D-объект, пересекающий их плоскость. Каким образом вы увидите это со стороны? Двумерные проекции сразу же изменятся и это будет похоже на брокколи в МРТ: Что в этот момент будет с нашими героями? Сказать, что они очень удивятся такому развитию событий, ничего не сказать. Такого они даже представить себе не смогут. Для них везде начнут появляться отрезки, которые будут резко менять свою длину и положение. Вычислить длину или координаты этих объектов в двумерном мире будет просто невозможно. Надеюсь, теперь вы немного въехали в то, что я пытаюсь вам здесь втереть. Мы живем в трехмерном мире и видим все объекты двумерными. Лишь тот факт, что они или мы перемещаемся в пространстве, позволяет нам говорить о том, что у всего есть объем. А теперь представьте, что в наш мир вторглось какое-то пятимерное существо. Не ломайте голову, все равно у вас ничего не получится. Вы будете видеть его таким же двумерным, но с очень и очень странными свойствами. Потому что вместе с его перемещением в пространстве и времени вы не только обнаружите его объем, но и другие свойства, которые, плюс ко всему, будут постоянно меняться. Сейчас вернемся к теории струн и попробуем вообразить себе объект, имеющий 10 измерений. Шучу, не будем мы это делать. Потому что, думаю, уже и так всем понятно, что это бессмысленно и бесполезно. Этот объект по сути должен существовать везде и нигде, всегда и никогда. Наш мозг попросту не способен этого представить. Нечто подобное было описано в одном псевдонаучном фантастическом фильме под названием «Господин Никто».
Теория струн. Что это?
Автор: Яна Жежер 13 октября 2017, 12:15 Более пятидесяти лет назад физики предположили, что все частицы состоят из мельчайших петель. Так родилась теория струн, и, возможно, в будущем ее огромный потенциал поможет объяснить все фундаментальные проблемы современной физики. Поделиться 0 Поделиться 0 Твитнуть 0 Мы рассказывали про Стандартную модель , основную теорию, описывающую поведение микроскопических частиц. У нее есть ряд очевидных проблем, которые побуждают физиков предлагать различные альтернативные теории. До сих пор ни одна из моделей «новой физики» не нашла экспериментального подтверждения, но ученые не теряют надежды: предложенная в 60-х годах XX века теория струн до сих пор не потеряла своей актуальности и в перспективе сможет изменить наш взгляд на мир. Из чего сделаны частицы? Увидеть частицы напрямую ученым вряд ли когда-то удастся. Ни один, даже самый мощный микроскоп в мире не позволит увидеть хотя бы атом. Чтобы изучать структуру частиц, был придуман особый способ: «бомбардировать» объект другими, более мелкими частицами, и изучать, каким образом они разлетаются в разные стороны. Вы можете проделать такой эксперимент дома: взять два предмета, например, коробку и кастрюлю. И покидать в них небольшой резиновый шарик.
Шарик будет по-разному отскакивать от ровных стенок коробки и скругленных стенок кастрюли — наших экспериментальных объектов.
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. Для доказательства теории струн требуется, скорее, другое — то, что звучит как научная фантастика — подтверждение существования дополнительных измерений пространства. О чем идет речь?
Все мы привыкли к трем измерениям пространства и одному — времени. Но теория струн предсказывает наличие и других — дополнительных — измерений. Но начнем по порядку. На самом деле, идея о существовании других измерений возникла почти сто лет назад. Пришла она в голову никому не известному тогда немецкому математику Теодору Калуца в 1919 году. Он предположил возможность наличия в нашей Вселенной еще одного измерения, которое мы не видим. Об этой идее узнал Альберт Эйнштейн, и сначала она ему очень понравилась.
Позже, однако, он засомневался в ее правильности, и задержал публикацию Калуцы на целых два года. В конечном счете, правда, статья все-таки была опубликована, а дополнительное измерение стало своеобразным увлечением гения физики. Как известно, Эйнштейн показал, что гравитация есть не что иное, как деформация измерений пространства-времени. Калуца предположил, что электромагнетизм тоже может быть рябью. Почему же мы ее не наблюдаем? Калуца нашел ответ на этот вопрос — рябь электромагнетизма может существовать в дополнительном, скрытом измерении. Но где оно?
Ответ на этот вопрос дал шведский физик Оскар Клейн, который предположил, что пятое измерение Калуцы свернуто в миллиарды раз сильнее, чем размеры одного атома, поэтому мы и не можем его видеть. Идея о существовании этого крошечного измерения, которое находится повсюду вокруг нас, и лежит в основе теории струн. Одна из предполагаемых форм дополнительных закрученных измерений. Внутри каждой из таких форм вибрирует и движется струна — основной компонент Вселенной. Все они имеют очень закрученную и искривленную сложную форму. И все — невообразимо малы. Каким же образом эти крошечные измерения могут оказывать влияние на наш большой мир?
Согласно теории струн, решающее: для нее все определяет форма. Когда на саксофоне вы нажимаете разные клавиши, вы получаете и разные звуки.
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.
Главная проблема, однако, заключается в том, что эта идея остается пока лишь гипотезой и не имеет экспериментальных доказательств. Проекция 6-мерного пространства Калаби — Яу. Изображение с сайта.
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. Главная проблема, однако, заключается в том, что эта идея остается пока лишь гипотезой и не имеет экспериментальных доказательств. Проекция 6-мерного пространства Калаби — Яу. Изображение с сайта.