Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано[7], связанных со струнными моделями строения адронов. Теория струн для чайников, предполагает объединение идей квантовой механики и теории относительности, представляя элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами. Стромиджер и Вафа, струнные теоретики, с помощью теории струн смогли отыскать микроскопические компоненты чёрных дыр экстремального типа. Сравнительно недавно появился подход, дающий возможность разрешить это противоречие — теория струн.
Теория струн простыми словами
Так, согласно результатам нового исследования, математики из университета штата Юта обнаружили новое доказательства теории струн. Всего несколько лет назад казалось, что теория струн — этоновая теория всего. 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.
Первые идеи были предложены еще в 1960-х годах при исследовании адрона. Дальнейшее развитие теоретической физики привело к появлению нескольких типов теории струн. Объединяющую их единую теорию называют М-теорией. Под струной физики подразумевают некий одномерный протяженный объект, средний размер которого должен быть порядка Планковской длиной, то есть 10-35 м.
Например, при взгляде на рис. Почему не маленькие диски? Или микроскопические каплевидные ядрышки? Эти последние достижения будут рассмотрены в заключительных главах данной книги. Прогресс в науке осуществляется скачками. Одни периоды наполнены великими прорывами, в другие времена исследователи остаются без улова. Ученые получают новые теоретические и экспериментальные результаты. Они обсуждаются научным сообществом, иногда отвергаются, иногда модифицируются, а иногда служат отправной точкой для скачков в разработке новых и более точных методов понимания физического мира. Иными словами, наука движется в направлении того, что, как мы надеемся, будет окончательной истиной, по зигзагообразному пути, который начался с самых первых попыток человечества познать мироздание, и конец которого мы не можем предсказать. Нам неизвестно, является ли теория струн промежуточной остановкой на этом пути, или важным поворотным пунктом, или конечным пунктом назначения.
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.
Вы точно человек?
Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений. Теория струн предположительно решает эту проблему и стремится описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации. Эти достижения убедили многих физиков, что теория струн способна выполнить свои обещания и стать окончательной объединяющей теорией.
Теория струн, или Теория всего
А вот если… впрочем, гляньте-ка лучше видео. Бозонами называются те частицы, которые имеют целочисленный спин. Фермионы — те, у кого спин полуцелый. Так вот, первая версия теории струн описывала только бозоны, что было ещё одной из причин, по которым она до сих пор стоит на морозе. Обновлённый вариант теории струн включал в себя и фермионы, и тут все поняли, что при таком подходе проблема ненужных тахионов, как и множество других противоречий, исчезает! Но, как всегда, не обошлось без проблем. Новая теория струн не только заставила всех просветлиться, но и вбросила говна на вентилятор: по ней получалось, что для каждого бозона должен существовать соответствующий фермион, то есть между бозонами и фермионами должна существовать определённая симметрия. Такой вид симметрии предсказывался и раньше — под названием «суперсимметрия». Фейл заключался в том, что никто и никогда не наблюдал эти самые суперсимметричные фермионы.
Объяснение тому нашли простое: по расчётам, суперсимметричные фермионы должны обладать огромной для микромира массой, и потому в обычных условиях их хрен получишь. Для того, чтобы зарегистрировать их, нужны огромные энергии, которые достигаются при столкновении лёгких частиц на почти световых скоростях. Физики, осознав, в какой жопе они оказались, стали плакаться в жилетку всем, кому ни попадя, и причитать «бида-бида, канец науке». Неизвестно, кому они продали душу , но в итоге им удалось разжалобить больших дядь на серьёзные бабки для строительства Большого адронного коллайдера и пары коллайдеров поменьше. Да-да, именно так, Анон — одной из целей воздвижения этой НЁХ было именно получение суперсимметричных фермионов. Доводы школолофизика о 9-и измерениях, часть рас часть два Итак, теорию струн заменили теорией суперструн, но легче не стало: не успели физики прийти в себя от бодуна после празднования новой теории, как во все дыры полезли новые глюки. В итоге помощь пришла оттуда, откуда совсем не ждали. Ещё в далёком 1919 году никому тогда не известный немецкий математик Калуца прислал Эйнштейну письмо, где изложил свою теорию: наша Вселенная, вполне может статься, не трехмерная, а измерений может иметься более 9000.
В своих работах Калуца делал допущение, что на самом деле Вселенная может быть четырехмерной в пространстве, и в доказательство своих слов приводил свои расчёты, из которых получалось, что при таком условии ОТО замечательно согласовывается с теорией электромагнитного поля Максвелла, чего невозможно достичь в обычной трехмерной Вселенной. Эйнштейна письмо не впечатлило ещё бы, он только что придумал охуительно сложную теорию, хочется дать продохнуть мозгам, а тут ещё какой-то укуренный немец лезет со своим атсралом , и он ответил лишь « Окей ». В 1926 году физик Оскар Клейн заинтересовался работами Калуцы и усовершенствовал его модель. По Клейну получалось, что дополнительное измерение действительно может существовать, но оно находится в «свёрнутом» и зацикленном на самом себе виде. Причём свернуто четвёртое измерение очень туго — до размеров элементарных частиц, поэтому мы его и не замечаем. Вспомнили о Калуце в восьмидесятых годах, когда теория струн в очередной раз оказалась в жопе. Воспалённые мозги физиков в попытке объяснить несоответствия теории струн с квантовой механикой докатились до того, что было выдвинуто предположение — вся хуйня в расчётах была в том, что струны в нашей теории могут колебаться всего лишь в трёх направлениях, которыми располагает наша Вселенная. Вот если бы струны могли бы колебаться в четырёх измерениях… О, да тут же был какой-то Калуца, кстати, где он?
Расчёты показали, что и в этом случае следует неиллюзорный фейл, но зато число противоречий в уравнениях вроде уменьшилось. Взбодренные физики продолжали увеличивать число измерений, пока не ввели все 9!!! И тогда физики громогласно провозгласили, что на самом деле мы живём в десятимерной Вселенной, в том числе одно измерение во времени, три знакомых нам измерения развернуты до космических размеров, а остальные шесть свернуты в микроскопических масштабах и потому незаметны. Такие дела. Причём ни подтвердить, ни опровергнуть это на эксперименте практически никак нельзя, ибо речь идёт о таких малых масштабах струн и свернутых измерений, что современная аппаратура ничего не найдёт. Физики были счастливы, общественность охуевала и окончательно утвердилась в мысли, что физика — бесполезная наука. Рождение M-теории[ править ] Двумерная проекция трехмерной визуализации пространства Калаби-Яу Окрыленные новыми успехами, физики ринулись в бой, но скоро опять стали раздаваться возгласы: « WTF? Основным успехом явилось то, что физикам удалось по крайней мере, на бумаге установить общий вид шести свернутых измерений, необходимый для того, чтобы наш мир при этом оставался таким, какой он есть.
Оказалось, что этот вид соответствует некоторым математическим объектам из группы под названием «Многообразия Яу» названа по имени развеселого и улыбчивого китайского математика по фамилии Яу, описавшего ее. Главный фейл — то, что хотя общий вид этих объектов и вычислили, но точный вид, как оказалось, нельзя установить без эксперимента. Без нахождения точного вида пространства Калаби-Яу нашей Вселенной вся теория струн скатывалась практически в гадание на кофейной гуще. Впрочем, работы продолжались, и постепенно физикам удалось вычленить из общей массы гипотез пять более-менее правдоподобных теорий, которые могли бы описать нашу Вселенную. Ситуация сложилась вообще аховая — теперь теорий стало больше, чем надо, и это было нехорошо. Авторитет теории струн падал, дальнейшие направления для исследований не виделись, учёные пинали хуи целыми месяцами и потихоньку начали тухнуть. Но в середине девяностых годов прошлого века произошла так называемая вторая революция в теории струн. Неизвестно, чем и куда упоролись физики, но путём фатальных разрывов мозга один из них родил гипотезу, что десять измерений — это, конечно, хорошо, но всё выглядит так, будто чего-то не хватаэ.
Оказалось, что введение ещё одного измерения со скрипом, но укладывается в ложе квантовой теории и ОТО, и более того — снимает очень многие накопившиеся проблемы в теории струн. В том числе успешно скрещивает все пять недотеорий в одну-единственную убертеорию. Вот её-то и назвали без фантазии M-теорией, и именно она на сегодня является высшим достижением матанщиков в деле познания Вселенной. Есть, однако, теория, согласно которой мы очень даже наблюдаем многомерные браны и иные измерения, только ещё не догадываемся об этом. Согласно этой теории, загадочная тёмная материя есть вовсе не какие-то несуществующие слабовзаимодействующие частицы, а самая обычная материя - только существующая не в нашем измерении, а в параллельных. Гравитация, согласно этой теории, одна на все измерения, и непонятная гравитация, порождаемая невидимой материей, на самом деле долетает к нам из измерения Зен. О как! Переименование старого брэнда «теория струн» было оправданно, ибо по M-теории получается, что основа Вселенной — не только одномерные струны.
К ужасу всего научного сообщества, оказалось, что могут существовать и двухмерные аналоги струн — мембраны , и трёхмерные, и четырёхмерные… Эти конструкции были названы бранами струна — 1-брана, мембрана — 2-брана, и так далее. На то, что эти самые браны нигде не были экспериментально зарегистрированы, физики дружно положили болт — хули, не впервой, и вообще мы тут делом заняты, а вы мешаете своими претензиями. Браны у нас на данном этапе принципиально ненаблюдаемы. Что имеем в итоге? Не проходит и пары месяцев, как объявляется о каком-либо очередном серьёзном успехе.
Из чего сделано яблоко? Ну, чтобы ответить на этот вопрос, вам нужно заглянуть в него.
Если вы продолжите увеличивать его, рано или поздно вы начнете видеть молекулы. Но это не конец истории, если вы еще больше увеличите их и сделаете их достаточно большими, вы начнете видеть атомы. Атомы не являются концом истории, потому что, если вы увеличите масштаб, вы увидите электроны и ядра. Ядро само состоит из протонов и нейтронов. Если вы возьмете одну из этих частиц скажем, нейтрон и увеличите ее, вы найдете еще больше крошечных частиц внутри, называемых кварками. Теперь это то, где традиционная идея останавливается и теория струн приходит, предполагая, что внутри этих крошечных частиц есть что-то еще. Обычная идея гласит, что внутри кварков нет ничего, но теория струн гласит, что вы найдете крошечную нитку, похожую на струну.
Они похожи на струну на скрипке: когда вы отрываете струну, она вибрирует и создает небольшую музыкальную ноту. Иллюстрация струны Однако крошечные струны в теории струн не дают музыкальных нот. Вместо этого, когда они вибрируют, они сами производят частицы. Каждый тип вибрации соответствует различным частицам. Следовательно, кварк - это не что иное, как струна, вибрирующая по одной схеме, а электрон - это не что иное, как струна, вибрирующая по другой схеме. Так что, если вы соберете все эти частицы обратно вместе, яблоко будет не чем иным, как связкой вибраций в струнах. Если теория струн верна она все еще не доказана , все вещи во вселенной - не что иное, как танцующая вибрирующая космическая симфония струн.
Дополнительное измерение На данный момент теория струн является простой идеей. Нет прямых экспериментальных доказательств того, что это правильное описание природы. Теория струн требует от нас принять существование дополнительного измерения во вселенной. Суперсимметрия Во Вселенной существует два основных класса элементарных частиц: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между этими двумя частицами существует связь, называемая суперсимметрией, при которой для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот.
Расширение Вселенной вопреки всем ожиданиям не замедляется, а ускоряется. Оказалось, что она состоит из трех видов материи. Существуют модели, предсказывающие, что скорость разлета будет все больше увеличиваться и в итоге Вселенная будет разорвана. Это та самая гибель Вселенной, о которой все говорят.
Вселенная обладает удивительным свойством — она очень точно настроена на то, чтобы в ней была жизнь: любое изменение мировых констант сделает ее существование невозможной. Можно предположить, что это определено Провидением. Другая версия говорит о случайности такой ситуации.
Были обнаружены частицы с высокими спинами моментами вращения. Итальянский физик Туллио Редже предложит группировать квантовые состояния в траектории которые были названы его именем ; 1968—1974 гг. Гарибрэле Венециано предложил модель двойного резонанса для описания сильных взаимодействий. Есиро Намбу развил эту идею и описал ядерные силы как вибрационные одномерные струны; 1974—1994 гг. Открытие суперструн, во многом благодаря работам российского ученого Александра Полякова; 1994—2003 гг. Появление М-теории, допустила большее, чем 11, количество измерений; 2003 — н.
Майкл Дуглас разработал ландшафтную теорию струн с понятием ложного вакуума. Теория квантовых струн Ключевыми объектами в новой научной парадигме являются тончайшие объекты, которые своими колебательными движениями сообщают массу и заряд всякой элементарной частице. 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.
Теория струн кратко и понятно
Рассказать о теории струн кратко вряд ли получится. В теории струн мироздание похоже на невероятно малые, вибрирующие нити энергии, способные извиваться, растягиваться и сжиматься. 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. Теория струн для чайников, предполагает объединение идей квантовой механики и теории относительности, представляя элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами. 20–минутное видео о теории струн. Про эту теорию впервые прочитал в журнале "Юный техник" ещё в школе. Та материя, сутью которой являются струны, составляет только 5% массы Вселенной — ее видимая часть.
Что такое теория струн
Это объяснение теории струн очень простыми словами, без использования терминов теории относительности и квантовой механики, на стыке которых она находится. Основные элементы теории Экспериментальных доказательств верности теории струн пока нет, но физики, работающие над ней, выделяют несколько обязательных элементов этой гипотезы: Дополнительные измерения. Чтобы «струны Вселенной», из которых могут состоять все предметы, действительно работали, измерений должно быть не меньше десяти. Суперсимметрия, под которой понимается связь между двумя классами элементарных частиц — фермионами и бозонами. Объединение сил. Идея о струнах объединяет принципы теории относительности и квантовой механики, которые формулируют основы устройства Вселенной.
Некоторые ученые считают, что теория струн может разрешить противоречия между ними, преодолев одну из основных нерешенных проблем физики. Но после того, как теория струн получила известность в конце 1960-х и 70-х годах, ее положение в среде физиков-теоретиков было шатким. После бесчисленных докладов и конференций захватывающий прорыв, на который многие когда-то надеялись, оказался дальше, чем когда-либо. Тем не менее, шквал мыслей вокруг самой идеи теории струн оставил глубокий отпечаток как в физике, так и в математике. Нравится вам это или нет а некоторым физикам, конечно, нет , теория струн никуда не денется. Струна определенной длины, бьющая на определенной ноте, может приобрести свойства фотона, а другая струна, свернутая и вибрирующая с другой частотой, может играть роль кварка, и так далее.
Характер этого взаимодействия таков, что имеется некое расстояние между взаимодействующими объектами, на котором интенсивность сильного взаимодействия практически нулевая положение равновесия. Но стоит этому расстоянию измениться, как возникает сила, возвращающая взаимодействующие объекты в первоначальное положение, причем, чем дальше от положения равновесия отклоняются эти объекты, тем больше по интенсивности возвращающая сила. Вследствие этой особенности сильного взаимодействия возникла модель, позволяющая формально заменить это взаимодействие, не конкретизируя его особенностей, понятием струны — одномерного протяженного объекта, обладающего натяжением. Причем, для многих задач оказалось вполне достаточным полагать это натяжение постоянным. Так возникла исторически первая струнная модель — модель мезона, частицы с простейшим кварковым содержанием: два кварка, связанных между собой струной, обладающей натяжением картинка справа. Подобный подход, позволяющий отказаться от детализации описания процесса взаимодействия, моделируя его физическими свойствами такого наглядного объекта, как струна, соединяющая взаимодействующие объекты не мог не привлечь пристального внимания физиков. А некая аналогия между исходными уравнениями, описывающими сильные взаимодействия и уравнениями Эйнштейна, описывающими гравитационное взаимодействие эти уравнения сильно нелинейны немедленно возродила в физике огромные надежды на построение Теории Великого Объединения на струнной основе. И грянул струнный бум в физике и математике. Сейчас можно с уверенностью утверждать, что теория струн благополучно прошла через эти периоды энтузиазма, неоправданных надежд и неизбежного при этом разочарования. Она вступила в полосу достаточно спокойного развития, продолжая привлекать к себе внимание физиков и математиков. При этом и струнная программа объединения взаимодействий не утратила своей актуальности. Стало отчетливо понятно, что эта программа на самом деле является отнюдь не содержанием теории струн, а только еще одной областью ее приложения. Ситуация со струнной теорией сложилась так, что многие, если не большинство решаемых ею задач имеют разве что косвенное отношение к проблемам физики элементарных частиц. Развитие ее сегодня уже определяется в большей степени своей внутренней логикой, а не потребностями того или иного физического приложения. И, как следствие, эта внутренняя логика, а не трудности альтернативных подходов к решению конкретных задач, становится обоснованием теории струн, как это и должно происходить с любой полноценной теорией. Более того, следуя этой логике, в орбиту теории струн вовлекаются все более разнообразные области физики и математики, и это приводит к образованию нового здания естествознания, внося новые штрихи в наше понимание структуры и взаимосвязей различных наук. Не обошли эту теорию вниманием и эзотерики самых различных течений. Если теперь попытаться ответить на вопрос, что из себя представляет теория струн в современном понимании, придется признать, что эта теория является не столько конкретной теорией или схемой, направленной на описание конкретной физической системы, сколько большая совокупность идей и методов, призванных дать широкое обобщение используемого физиками математического формализма и применить этот формализм во множестве новых приложений. В этом смысле теория струн —раздел математической физики, имеющий самостоятельную ценность, независимо от успехов конкретных попыток построить на ее основе модель того или иного физического явления. Совершенно естественно, что теория струн повторяет путь, пройденный в свое время, классической и квантовой теорией поля, так же зародившейся в недрах физики элементарных частиц и ставшей впоследствии одним из наиболее эффективных инструментов в исследовании самого широкого круга физических явлений. Как это происходило не раз при развитии других разделов науки, нередко наиболее плодотворными оказываются приложения математического аппарата, о которых даже и не подозревали при его создании. Более того, даже идеи, возникающие при создании нового формализма при его разработке, могут в итоге оказаться ошибочными и отброшенными как ложные. В лучшем случае их приходится модифицировать, а в худшем заменять на нечто, вообще ранее не предвиденное. Наличие такого рода критериев и определяет ценность этой теории в плане постановки новых физических и математических задач, указывая возможные пути их решения [1, 3]. Возникновение и использование теории струн, в широком смысле этих терминов, связано с необходимостью решения широкого круга задач, возникающих с завидным постоянством в самых различных областях современной физики и пониманием того, что от решения этих задач вряд ли возможно уйти. Попробуем выделить классы этих задач, избегая при этом излишней детализации и понимая, что такое разделение проблем на самом деле является довольно поверхностным и условным и никоим образом не претендует на какую бы то ни было общность. Теория сильной связи и вообще теория нелинейных явлений В настоящее время для обозначения всего, что связано с нелинейными процессами используется термин синергетика. По своим целям синергетика и теория струн весьма близки, но последняя отличается от первой более конкретными методами анализа, за что приходится платить меньшей универсальностью. Но при этом потеря универсальности приводит к более точным предсказанием развития процессов в изучаемом явлении. Методы теории струн позволяют довольно эффективно выделять различного рода симметрии процесса, очень часто являющиеся внутренними для изучаемой физической системы и далеко не очевидными на первый взгляд.
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.
Теория струн: простое объяснение неоднозначной идеи
Это со временем может привести к широкому применению аналоговых экспериментов и уже вызвало бурное развитие компьютерных методов физики в качестве дополнения к обычным прямым экспериментам. В узком смысле термин «теория струн» применяется для конкретного обобщения стандартной КТП, в которой точечные частицы заменены одномерными струны или многомерными браны протяжёнными объектами, взаимодействие между которыми происходит в отдельных точках. Это позволяет избежать нарушения принципа причинности. Даже простейшие модели такого рода включают в себя все фундаментальные законы природы, объединяя электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия с гравитацией и решая проблему неперенормируемости квантовой теории гравитации. Калибровочные теории с линейным или квадратичным по кривизне действием , описывающие известный нам мир, оказываются естественным классом универсальности, «выживающим» при низких энергиях. Тем самым теория струн решает одну из важнейших проблем естествознания: почему фундаментальные законы, начиная со 2-го закона Ньютона и уравнений Максвелла , зависят от ускорения.
Причина в том, что они описывают лишь низкоэнергетическое приближение к действительно фундаментальной теории.
Это то, что физики называют корпускулярно-волновым дуализмом квантовой механики. Уровни строения мира: 1. Макроскопический уровень — вещество 2. Молекулярный уровень 3. Атомный уровень — протоны, нейтроны и электроны 4.
Субатомный уровень — электрон 5. Субатомный уровень — кварки 6. Ramos В Общей теории относительности, словно в государстве с противоположными законами, дело обстоит принципиально иначе. Пространство представляется похожим на батут — гладкую ткань, которую могут изгибать и растягивать объекты, обладающие массой. Они создают деформации пространства-времени — то, что мы ощущаем как гравитацию. Стоит ли говорить, что стройная, правильная и предсказуемая Общая теория относительности находится в неразрешимом конфликте с «взбалмошной хулиганкой» — квантовой механикой, и, как следствие, макромир не может «помириться» с микромиром.
Вот тут на помощь и приходит теория струн. Многие ученые уверены, что всё, от изысканного танца галактик до безумной пляски субатомных частиц, может в итоге объясняться всего одним фундаментальным физическим принципом. Может быть — даже единым законом, который объединяет все виды энергии, частиц и взаимодействий в какой-нибудь элегантной формуле. ОТО описывает одну из самых известных сил Вселенной — гравитацию. Квантовая механика описывает три других силы: сильное ядерное взаимодействие, которое склеивает протоны и нейтроны в атомах, электромагнетизм и слабое взаимодействие, которое участвует в радиоактивном распаде. Любое событие в мироздании, от ионизации атома до рождения звезды, описывается взаимодействиями материи посредством этих четырех сил.
С помощью сложнейшей математики удалось показать, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют общую природу, объединив их в единое электрослабое. Впоследствии к ним добавилось и сильное ядерное взаимодействие — но вот гравитация к ним не присоединяется никак. Теория струн — одна из самых серьезных кандидаток на то, чтобы соединить все четыре силы, а, значит, объять все явления во Вселенной — недаром ее еще называют «Теорией Всего». А на заре ее появления она и вовсе казалась бесконечно далекой от реальности. Само ее рождение — легенда. В конце 1960-х годов молодой итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано искал уравнения, которые смогли бы объяснить сильные ядерные взаимодействия — чрезвычайно мощный «клей», который скрепляет ядра атомов, связывая воедино протоны и нейтроны.
Согласно легенде, как-то он случайно наткнулся на пыльную книгу по истории математики, в которой нашел уравнение двухсотлетней давности, впервые записанное швейцарским математиком Леонардом Эйлером. Каково же было удивление Венециано, когда он обнаружил, что уравнение Эйлера, которое долгое время считали ничем иным, как математической диковинкой, описывает это сильное взаимодействие. Как же было на самом деле? Уравнение, вероятно, стало результатом долгих лет работы Венециано, а случай лишь помог сделать первый шаг к открытию теории струн. Уравнение Эйлера, чудесным образом объяснившее сильное взаимодействие, обрело новую жизнь. Эти частицы вели себя так, что не могли быть просто точечными частицами.
Сасскинд понял — формула описывает нить, которая подобна упругой резинке. Она могла не только растягиваться и сжиматься, но и колебаться, извиваться. Описав свое открытие, Сасскинд представил революционную идею струн. К сожалению, подавляющее большинство его коллег встретили теорию весьма прохладно. Стандартная модель В то время общепринятая наука представляла частицы точками, а не струнами. В течение многих лет физики исследовали поведение субатомных частиц, сталкивая их на высоких скоростях и изучая последствия этих столкновений.
Выяснилось, что Вселенная намного богаче, чем это можно было себе представить. Это был настоящий «демографический взрыв» элементарных частиц. Аспиранты физических вузов бегали по коридорам с криками, что открыли новую частицу, — не хватало даже букв для их обозначения. Но, увы, в «родильном доме» новых частиц ученые так и не смогли отыскать ответ на вопрос — зачем их так много и откуда они берутся? Это подтолкнуло физиков к необычному и потрясающему предсказанию — они поняли, что силы, действующие в природе, также можно объяснить с помощью частиц. То есть существуют частицы материи, а есть частицы-переносчики взаимодействий.
Таковым, например, является фотон — частица света. Ученые предсказывали, что именно этот обмен частицами-переносчиками — есть не что иное, как то, что мы воспринимаем как силу. Это подтвердилось экспериментами. Так физикам удалось приблизиться к мечте Эйнштейна по объединению сил. А если вернуться во времени еще дальше, то электрослабое взаимодействие соединилось бы с сильным в одну суммарную «суперсилу».
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. Однако далеко не каждый способ обработки этих дополнительных измерений, также называемый «компактификацией», дает модель с правильными свойствами для описания природы.
Для так называемой восьмимерной компактификации модели теории струн, называемой F-теорией, дополнительные измерения должны иметь форму поверхности K3. В новой работе исследователи рассматривали двойственность двух видов теории струн — F-теории и гетеротической — в восьми измерениях.
Этот вывод меняет представление о структуре Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва , для которого в стандартной модели получается нулевой размер Вселенной. 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.
Симфония вселенной: теория струн для начинающих
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. Теория струн предполагает объединения идей квантовой механики и теории относительности, представляя элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами. В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница.