Теория струн

Теория струн

Теория струн

Изначально определение струн как фундаментальных объектов появилось, чтобы объяснить нюансы строения некоторых элементарных частиц. Позже, в 1970 году, родилась идея, что сталкивающиеся пионы взаимодействуют между собой посредством соединяющей их ничтожно тонкой нити.

Так родилась теория струн, представляющая элементарные частицы как вибрирующие на определённых частотах одномерные струны. Струна представляет собой объект, не имеющий толщины, но обладающий длиной. Она определена значением в 10-35 м.

Характер колебаний этих струн определяет свойства элементарных частиц, например, заряд.

Обычные масштабы должны сводить 10-мерную теорию струн к достаточно надёжной физике элементарных частиц. Но, как известно, таких способов практически бесконечное количество, причём, каждая полученная четырёхмерная теория подразумевает свой собственный мир.

 Варианты струнных колебаний определяют свойства частиц, а сами колебания зависимы от геометрии дополнительных измерений.

Бозонная теория струн

Бозонная теория предписывает движение струн в пространстве-времени. Струны, как и говорилось выше, могут вибрировать. Способ вибрации определяет массу частицы и её параметры. В результате получается гамма – спектр масс.

 Вначале в моделях предлагались открытые струны (обладающие двумя свободными концами), и замкнутые (петлеобразные). Генерация спектров этих типов различна.

проблема бозонной теории – фундаментальная нестабильность, подразумевающая, что произойдёт распад пространства-времени.

Ещё одна проблема – ограничение спектра частиц одними бозонами. Но во Вселенной присутствуют и другие частицы. Также бозонная теория предполагает наличие несуществующей частицы — тахиона, имеющего отрицательный квадрат массы. Сейчас бозонная теория уступила место М-теории, более состоятельной и правдоподобной, но зато и более сложной.

М-теория – последнее воплощение теории струн

История теории струн насчитывает две суперструнные революции. Вторая ознаменовалась открытием 11-мерной М-теории. Целью её явилось объединение фундаментальных взаимодействий.

Что означает буква «М», не ясно, и физики-теоретики обыгрывают её в разных вариациях – матричная, мембранная и даже – мистическая.

 М-теория обладает интересным свойством: всё, нами воспринимаемое как координатами струны (время, местоположение), по факту является матрицей – математическим набором. Только при очень удалённом положении струн в пространстве, матрицы могут походить на координаты.

 Если будет доказана верность этой теории, то она сможет раскрыть природу Мультивселенной и стать основным достижением науки за всю её историю. Теория является новым подходом к ОТО.

М-теория – самая общая симметричная теория гравитации и единственная, способная стать законченной теорией Вселенной.

По сути, она – модель Вселенной, создающей сама себя. Есть два фактора, способных подтвердить теорию:

  1. Суперсимметричные частицы. Используя Большой адронный коллайдер, можно доказать существование суперсимметричных частиц (если они, конечно, существуют). Их обнаружение будет существенным достижением в подтверждении М-теории.
  2. Поиски отклонений от закона тяготения. Уже проводятся множественные эксперименты по проверке этого закона на очень малых (сотые доли мм) расстояниях. Обнаружении аномалии на сверхмалых расстояниях также будет плюсом в сторону М-теории.

Подтверждение М-теории может стать концом известной физики.

 М-теория описывает и иные Вселенные, из её уравнении следует существование огромного числа параллельных миров с другими законами физики и другим числом измерении. В данный момент проверить М-теорию экспериментально нет никаких возможностей, пока она является только красивой математической гипотезой. 2003 год стал новой точкой отсчёта: стало известно, что есть много способов для сведения 10-мерных суперструнных теорий в 4-мерную теорию поля. Любой вариант редукции 10-мерной теории создаёт свой мир, 4-мерный. Он может иметь схожесть с нашим, наблюдаемым, а может иметь отличия от него. Совокупность всех вариантов таких миров, реализованных из суперструнной теории, именуется ландшафтом теории. Рассчитанное (теоретически) число таких вариантов поражает воображение. Их минимум 10100, но, что более вероятно, 10500. А есть мнение, что количество их – бесконечность.

В 80-х годах открылось, что теория струн возможна в пяти вариантах. Но, как вытекает из здравого смысла, одновременное действие двух вариантов одного закона невозможно.

Тогда вторая суперструнная революция объяснила, что эти теории являются лишь предельными случаями М-теории, которая стала единой фундаментальной. Между всеми пятью теориями есть связь. Это преобразования, которые называются дуальностями.

Дуальности могут увязывать в одно целое величины, имеющие различные параметры – разные масштабы, различные константы связи.

Самое интересное предсказание теории струн – многомерность Вселенной.

Эйнштейн оперировал четырёхмерностью, и это согласовывалось с его ОТО. Но для струнных структур измерений требуется гораздо больше, иначе их существование становится проблематичным. Бозонная теория подразумевает необходимость существования 26-мерного пространства, а суперструнным теориям достаточно и десяти — одиннадцати измерений. Но эти измерения, в отличие от четырёх, нам понятных и осязаемых, остаются невидимы.

Компактификация

Эта операция преобразования объясняет невидимости дополнительных измерений, замыкая их на себя на таких мизерных расстояниях, что обнаружить их невозможно (в планковских масштабах). Классическим примером для понимания такого утверждения служит поливочный шланг.

Рассматривая его издали, видно лишь одно измерение этой вещи – длина, но, оказавшись ближе, открывается, что есть ещё и окружность, толщина. Все дополнительные измерения возможно увидеть только при достаточном приближении.

Но поскольку они ничтожно малы, то возможности наблюдать их не существует.

Локализация

В этом случае дополнительные измерения не такие и маленькие, но почему-то все частицы нашей реальности локализовались на поверхности четырёхмерной в многомерной Вселенной. Уйти с этой поверхности они не могут. Такая поверхность (лист) именуется брана, и она – часть наблюдаемой Вселенной.

 Но и все мы, и то, что нас окружает, составлено из частиц, поэтому нам не удаётся взглянуть вы другие измерения. Только гравитация может поспособствовать увидеть дополнительные измерения. Так как она – следствие искривленного пространства-времени, и не зациклена на бране, то и гравитоны (если они существуют) должны «выходить» в другие измерения.

Видимостью этого процесса станет неожиданное пропадание энергии,  унесенных такими частицами.

Проблемы теории струн

  • Невозможность экспериментального подтверждения. Чтобы проверить и подтвердить какую-либо теорию, необходимо провести эксперимент. Но струнную теорию экспериментально проверить пока нельзя. Невозможность такого эксперимента и в обозримом времени, по причине технологического несовершенства, понижает доверие к теории. Но такое положение дел не может стать основанием, чтобы объявить теорию струн несостоятельной. Нужно развивать и её, и саму экспериментальную науку, чтобы в будущем исследовать пока ещё недоступные величины.
  • Проблемы вычислений. Эта трудность математическая: все вычисления в уравнениях теории очень трудо- и ресурсозатратны. Математика еще не совершенна объяснения некоторых аспектов струнных теории, многие направления вычислении только разрабатываются.
  • Сверхсложность. Уравнения М-теории невероятно сложны, поэтому учёным приходится работать только с их приближёнными формами. А это не может вести к высокой точности. Иногда ситуация требует изобретения новых математических методов для решения таких уравнений.
  • Экспериментальная недостаточность. Масштабы описываемых явлений настолько малы, что нет возможности подтвердить их экспериментальным путём. Чтобы такая возможность представилась, необходим ускоритель, по размерам не уступающий Вселенной.

Чёрные дыры и теория струн

Стромиджер и Вафа, струнные теоретики, с помощью теории струн смогли отыскать микроскопические компоненты чёрных дыр экстремального типа.

Учёные предложили конструкцию чёрной дыры в виде механизма, состоящего из конкретного набора бран. Были вычислены количества перестановок микрокомпонентов дыры, оставляющие неизменными основные параметры – заряд и массу.

Теория струн смогла проанализировать микрокомпоненты и точно рассчитать энтропию чёрных дыр этого класса.

Обычные масштабы должны сводить 10-мерную теорию струн к достаточно надёжной физике элементарных частиц. Но, как известно, таких способов практически бесконечное количество, причём, каждая полученная четырёхмерная теория подразумевает свой собственный мир.

 Варианты струнных колебаний определяют свойства частиц, а сами колебания зависимы от геометрии дополнительных измерений. Приближенные уравнения, что существуют сейчас, удовлетворяют и многим другим гипотетически возможным Вселенным со своей геометрией и законами физики. 99% населения земного шара даже приблизительно не могут понять суть этой теории.

 Некоторые понятия (струны и их колебания, множественность измерений) просто невозможно представить без глубоких познании в точных науках.

Источник: http://light-science.ru/fizika/teoriya-strun.html

Изучение свойств чёрных дыр

В 1996 г. струнные теоретики Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа, опираясь на более ранние результаты Сасскинда и Сена, опубликовали работу «Микроскопическая природа энтропии Бекенштейна и Хокинга».

В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определенного класса чёрных дыр, а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию.

Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений, которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого.

Реальным процессам образования чёрных дыр Строминджер и Вафа противопоставили конструктивный подход. Они изменили точку зрения на образование чёрных дыр, показав, что их можно конструировать путем кропотливой сборки в один механизм точного набора бран, открытых во время второй суперструнной революции.

Имея в руках все рычаги управления микроскопической конструкцией чёрной дыры, Строминджер и Вафа смогли вычислить число перестановок микроскопических компонентов чёрной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, например масса и заряд, остаются неизменными.

После этого они сравнили полученное число с площадью горизонта событий чёрной дыры — энтропией, предсказанной Бекенштейном и Хокингом, — и получили идеальное согласие.

По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии. Проблема, стоявшая перед физиками в течение четверти века, была решена.

Для многих теоретиков это открытие было важным и убедительным аргументом в поддержку теории струн. Разработка теории струн до сих пор остается слишком грубой для прямого и точного сравнения с экспериментальными результатами, например, с результатами измерений масс кварка или электрона.

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. Даже Шелдон Глэшоу, Нобелевский лауреат по физике и убеждённый противник теории струн в 1980-е гг., признался в интервью в 1997 г.

, что «когда струнные теоретики говорят о чёрных дырах, речь идёт едва ли не о наблюдаемых явлениях, и это впечатляет».

Струнная космология

Существует три основных пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель. Во-первых, в духе современных исследований, всё более проясняющих ситуацию, из теории струн следует, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер.

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.), «теория струн преподносит нам как на блюдечке вариант инфляционной космологии».

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. Например, до сих пор не ясны космологические следствия существования многомерных мембран.

Иными словами, как изменитcя представление о первых моментах существования Вселенной в результате анализа законченной М-теории? Этот вопрос интенсивно исследуется.

Источник: https://xn--e1adcaacuhnujm.xn--p1ai/teoriya-strun.html

Астронет > Перевод

Теория струн

перевод оригинального сайта Павлюченко С.А.

Основы теории струн
Что такое теория струн? Что такое элементарные частицы с точки зрения теории струн? Если Вы хотите получить ответы на эти и подобные вопросы, Вам сюда.

Эксперименты
Какие эксперименты ставятся для проверки предсказаний теории струн? Как вообще можно проверить теорию струн? В этом разделе Вы найдете ответы на такие вопросы.

Математика
Какую математику используют «струнные люди» (люди, работающие с теорией струн) и почему? Как теория струн изменила современную математику? Ответы на математические вопросы смотрите тут (на английском).

Черные дыры
Черные дыры в струнной теории еще интересней обычных !

Космология
Был ли Струнный Взрыв перед Большим Взрывом?

Оглавление

Основы теории струн
   Что такое теоретическая физика?
   Продолжение …

элементарные частицы и теория относительности
   Как и почему появляются струны?
   Так что же такое теория струн?
   Сколько существует различных теорий струн?
   Как между собой соотносятся различные теории струн?
      Новая картина струнной теории
      Большие и малые масштабы
      Сильная и слабая связи
      В заключение
   Есть ли более фундаментальная теория?
      Больше, чем просто струны
      Сколько измерений?
      Теория, ныне известная как М-теория

Эксперименты в теории струн

   Краткая история экспериментов в физике элементарных частиц
   Стандартная Модель как она есть
   Объединение и масштабы
      Общая теория относительности
      Квантовая физика
      Атомная физика
      Физика элементарных частиц
      Спонтанное нарушение симметрии
      «Бегущие» константы связи
      Объединенная теория
      Что же гравитация?
   Суперсимметрия — спасение?
   В поиске дополнительных измерений
      Что такое измерение?
      Почему время это измерение?
      Зачем нужны дополнительные измерения?
      Дополнительные измерения в струнной теории

Черные дыры

   Гравитационный коллапс
   Свойства черных дыр
      Абстрактные черные дыры
      Наблюдаемые черные дыры
   Хокинговское излучение задает новые вопросы
      Черные дыры испаряются
      Где же квантовые микросостояния?
   Пространство, время и теория струн
      Струны и гравитоны
      Струны и геометрия пространства-времени
      Что по поводу струн и черных дыр?
      Пространство-время фундаментально?
   Ответ из теории струн
      Что такое энтропия черной дыры?
      Черные дыры и браны в струнной теории

Космология

   Сколько лет нашей Вселенной?
   Какова структура нашей Вселенной?
      Что такое геометрия пространства-времени?
      Что определяет геометрию пространства-времени?
      Какова геометрия нашего пространства-времени?
      Открытая, закрытая или плоская?
      Откуда появляется темная материя?
      Что по поводу космологической постоянной?
      Ну и каков же ответ?
   Тур по истории Вселенной
      Тур… : планковская эра и инфляция
      Вселенная, заполненная излучением
      Кварков больше, чем антикварков
      Слабые ядерные бозоны становятся массивными
      Объединение кварков и глюонов
      Фиксируется отношение протонов к нейтронам
      Из протонов и нейтронов образуются ядра
      Вещество преобладает над излучением
      Из протонов и электронов образуется водород
      Из водорода появляются первые звезды
      В звездах образуются тяжелые элементы
      Жизнь продолжается
      Каково будущее нашей Вселенной?
   Что было до Большого Взрыва?
      Проблема плоскостности
      Проблема горизонта
      Проблема реликтовых магнитных монополей
      Инфляционная Вселенная?
      Как работает инфляция?
      Тестируемые предсказания?
      Таким образом, решены все проблемы?
   При чем же тут струнная теория?
      Струнная космология низких энергий
      Космология и дополнительные измерения
      Инфляция или столкновение гигантских бран?
      Проблема с ускорением

Версия для печати

АстрометрияАстрономические инструментыАстрономическое образованиеАстрофизикаИстория астрономииКосмонавтика, исследование космосаЛюбительская астрономияПланеты и Солнечная системаСолнце

Источник: http://www.astronet.ru/db/msg/1199352

Booksm
Добавить комментарий