Ключевые вопросы:

Каковы фундаментальные компоненты Вселенной -«первокирпичики материи»? Существуют ли теории, способные объяснить все основные физические явления?

Вопрос: это реально?

На сегодняшний день и в обозримом будущем, непосредственное наблюдение в столь малых масштабах не представляется возможным. Физика находится в поиске, и проводимые эксперименты, например, по обнаружению суперсимметричных частиц или поиску дополнительных измерений на ускорителях могут указать, что теория струн находится на верном пути.

Является теория струн теорией всего, или нет, она дает нам в руки уникальный набор инструментов, позволяющий заглянуть в глубинные структуры реальности.

Теория струн

Макро и микро

При описании Вселенной, физика делит ее на две, казалось-бы, несовместимых половинки - квантовый микромир, и макромир, в рамках которого описывается гравитация.

Теория струн это противоречивая попытка объединения этих половинок в «Теорию всего».

Частицы и взаимодействия

Мир сделан из двух видов элементарных частиц - фермионов и бозонов. Фермионы это всё наблюдаемое вещество, а бозоны являются переносчиками четырех известных фундаментальных взаимодействий: слабого, электромагнитного, сильного и гравитационного. В рамках теории, называемой «Стандартно моделью», физикам удалось изящно описать и проверить три фундаментальных взаимодействи все, кроме самого слабого - гравитационного. Hа сегодняшний день Стандартная модель является наиболее точной и экспериментально подтвержденной моделью нашего мира.

Зачем нужна теория струн

Стандартная модель не включает гравитацию, не может описать центр черной дыры и Большой взрыв, не объясняет результаты некоторых экспериментов. Теория струн - это попытка разрешить эти проблемы и унифицировать материю и взаимодействия, заменив элементарные частицы крошечными вибрирующими струнами.

В основе теории струн лежит идея, что все элементарные частицы можно представить в виде одного элементарного «первокирпичика» - струны. Струны могут вибрировать, и разные моды таких колебании на большом удалении будут выглядеть для нас как различные элементарные частицы. Одна мода вибрации заставит струну выглядеть как фотон, другая - как электрон.

Существует даже мода, описывающая переносчик гра в ита цио н но го взаимодействия - гравитон! Варианты теории струн описывают струны двух видов: открытые (1) и замкнутые (2). Открытые струны имеют два конца (3), расположенных на мембрано-подобных структурах, называемых D-бранами, и их динамикой описываются три из четырех фундаментальных взаимодействии - все, за исключением гравитационного.

Замкнутые струны напоминают петли, они не привязаны к D- бранам - именно колебательные моды замкнутых струн представляются безмассовым гравитоном. Концы открытой струны могут соединяться, образуя замкнутую струну, которая, в свою очередь, может разрываться, превратившись в открытую, или сойтись и расщепиться на две замкнутые струны (5) - таким образом в теории струн гравитационное взаимодействие объединяется со всеми остальными

Струны - самые маленькие из всех объектов, которыми оперирует физика. Диапазон размеров V объектов, представленных на картинке выше, простирается на 34 порядка - если бы атом был размером с солнечную систему, то размер струны мог бы быть чуть больше атомного ядра.

Дополнительные измерения

Непротиворечивые теории струн возможны лишь в пространстве высшей размерности, где в дополнение к знакомым нам 4м пространственно-временным измерениям требуется 6 дополнительных. Теоретики полагают, что эти дополнительные измерения свернуты в неуловимо малые формы -пространства Калаби-Яу. Одной из проблем теории струн является то, что существует почти бесконечное количество вариантов свертки (ком пактификации) Калаби-Яу, позволяющее описать какой угодно мир, и пока нет никакой возможности найти тот вариант ко м па ктифи ка ци и, который бы позволял описать то, что мы видим вокруг.

Суперсимметрия

Большинство версий теории струн требует понятия суперсимметрии, в основе которого лежит идея о том, что фермионы (вещество) и бозоны (взаимодействия) суть есть проявления одного и того-же объекта, и могут превращаться друг в друга.

Теория всего?

Суперсимметрию в теорию струн можно включить 5ю различными способами, что приводит к 5 различным видам теории струн, из чего следует, что сама по себе теория струн не может претендовать на звание «теории всего». Все эти пять видов связаны между собой математическими преобразованиями, называемыми дуальностями, и это привело к пониманию, что все эти виды являются аспектами чего-то более общего. Эту более общую теорию называют М-Теорией.

Известно 5 различных формулировок теории струн, однако при ближайшем рассмотрении, выясняется что все они являются проявлениями более общей теории

• Перевод

В основе теории струн лежит идея о том, что вместо нульмерных элементарных частиц Вселенная состоит из одномерных струн

Теория струн – одна из самых гениальных, противоречивых и недоказанных идей физики. В её основе лежит физический тренд, живущий много столетий – что на некоем фундаментальном уровне все различные силы, частицы, взаимодействия и проявления реальности связываются вместе как разные части одной платформы. Вместо четырёх независимых фундаментальных взаимодействий – сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного – есть одна объединённая теория, охватывающая их всех.

Во многих смыслах, теория струн – лучший кандидат на квантовую теорию гравитации, объединяющую взаимодействия на высочайших уровнях энергий. И хотя тому нет экспериментальных подтверждений, существуют убедительные теоретические причины считать, что это так и есть. В 2015 году крупнейший из живущих специалистов по теории струн, Эдвард Виттен, написал работу о том, что каждый физик должен знать о теории струн. И вот, что она означает – даже если вы не физик.



Разница между стандартными взаимодействиями квантовой теории поля (слева) для точечных частиц и взаимодействиями в теории струн (справа) для закрытых струн.

Удивительно, как иногда много общего встречается в законах природы, касающихся вроде бы не связанных между собой явлений. Математические структуры таких явлений часто очень похожи, а иногда даже идентичны. Притяжение двух массивных тел по законам Ньютона практически идентично притяжению/отталкиванию электрически заряженных частиц. Колебания маятника полностью аналогичны движению массы на пружине или планеты вокруг звезды. Гравитационные волны, волны на воде, световые волны – все они обладают удивительно похожими свойствами, несмотря на то, что происходит из фундаментально различных физических источников. И в том же ключе, хотя многие этого не осознают, квантовая теория одной частицы и подход к квантовой теории гравитации также аналогичны друг другу.

Диаграмма Фейнмана, представляющая рассеяние двух электронов – для этого требуется суммировать все возможные истории взаимодействий частиц

Работает квантовая теория поля так: берём частицу и производим математическое «суммирование всех её историй». Нельзя просто подсчитать, где была частица, и где она сейчас, и как она туда попала – поскольку в природе существует внутренняя и фундаментальная квантовая неопределённость. Вместо этого мы суммируем все возможные способы, которыми она могла прибыть в текущее состояние («прошлая история»), с соответствующими вероятностными весами, а потом подсчитываем квантовое состояние одной частицы.

Чтобы работать с гравитацией, а не с квантовыми частицами, нужно кое-что немного поменять. Поскольку Общая теория относительности Эйнштейна связана не с частицами, а с кривизной пространства-времени, мы не будем усреднять все возможные истории частицы. Вместо этого мы усредняем все возможные геометрии пространства-времени.

Гравитация по правилам Эйнштейна и всё остальное (сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия) по правилам квантовой физики – это два разных набора законов, управляющих всем во Вселенной.

Работать в трёх пространственных измерениях очень тяжело, и когда мы встречаемся со сложной физической проблемой, мы часто пытаемся решить сначала более простую её версию. Если спуститься на одно измерение, всё станет проще. Единственные из возможных одномерных поверхностей – это открытая струна, с двумя отдельными концами, не связанными друг с другом, или закрытая струна, концы которой соединены и формируют петлю. Кроме того, кривизна пространства – очень сложная в трёх измерениях – становится тривиальным вопросом. Поэтому, если мы хотим добавить материю, мы используем набор скалярных полей (точно так же, как для определённого рода частиц) и космологическую константу (работающую точно как член уравнения, отвечающий за массу): прекрасная аналогия.

Дополнительные степени свободы, которая получает частица в нескольких измерениях, не играют особенной роли; пока мы можем определить вектор импульса, это остаётся главным измерением. Поэтому в одном измерении квантовая гравитация выглядит так же, как свободная квантовая частица в любом произвольном количестве измерений.

Граф с вершинами, где сходятся по три ребра – ключевой компонент построения интеграла по траектории, относящегося к одномерной квантовой гравитации

Следующий шаг – включить взаимодействия, и перейти от свободной частицы без амплитуд рассеяния или эффективных поперечных сечений к той, что может иметь физическую роль, связанную со Вселенной. Графы, похожие на приведённый выше, позволяют нам описывать физическую концепцию действия в квантовой гравитации. Если записать все возможные комбинации подобных графов и провести суммирование по ним – применяя те же законы, что и обычно, например, закон сохранения импульса – мы можем завершить аналогию. Квантовая гравитация в одном измерении очень похожа на взаимодействие одной частицы в любом числе измерений.

Вероятность обнаружить квантовую частицу в каком-то определённом месте никогда не равняется 100%; вероятность распределяется по пространству и по времени.

Следующий шаг – перейти от одного пространственного измерения в 3+1 измерения: туда, где у Вселенной есть три пространственных и одно временное измерение. Но этот теоретический «апгрейд» для гравитации может оказаться очень сложным. Можно найти другой подход, если мы решим работать в противоположном направлении.

Вместо подсчёта поведения одной частицы (нульмерной сущности) в любом количестве измерений, возможно, мы могли бы подсчитать поведение струны, открытой или закрытой (одномерной сущности). А исходя из этого уже поискать аналогии к более полной теории квантовой гравитации в более реалистичном количестве измерений.

Диаграммы Фейнмана (вверху) основаны на точечных частицах и их взаимодействиях. Превратив их в аналоги для теории струн (внизу), мы получим поверхности, способные обладать нетривиальной кривизной.

Вместо точек и взаимодействий мы сразу начинаем работать с поверхностями, мембранами, и так далее. Получив настоящую многомерную поверхность, мы можем искривить её нетривиальными способами. Мы начинаем наблюдать у неё очень интересное поведение; такое, которое может находиться в основе кривизны пространства-времени, наблюдаемого во Вселенной в рамках ОТО.

Но хотя одномерная квантовая гравитация даёт нам квантовую теорию поля для частиц в возможно искривлённом пространстве-времени, сама по себе она не описывает гравитацию. Чего не хватает в этой головоломке? Нет соответствия между операторами, или функциями, представляющими квантово-механические взаимодействия и свойства, а также состояния, то есть, как частицы и их свойства изменяются со временем. Это соответствие «операторов-состояний» было необходимым, но недостающим ингредиентом.

Но если перейти от точечных частиц к струнным сущностям, это соответствие проявляется.

Деформирование метрики пространства-времени можно представить флуктуацией ("p"), а если применить её к струнной аналогии, она будет описывать флуктуацию пространства-времени и соответствовать квантовому состоянию струны.

При переходе от частиц к струнам появляется реальное соответствие операторов-состояний. Флуктуация в метрике пространства-времени (то есть, оператор) автоматически представляет состояние в квантово-механическом описании свойств струны. Поэтому квантовую теорию гравитации в пространстве-времени можно создать на основе теории струн.

Но это не всё, что мы получим: мы также получим квантовую гравитацию, объединённую с другими частицами и взаимодействиями в пространстве-времени, с теми, что соответствуют другим операторам струны в теории поля. Также существует оператор, описывающий флуктуации геометрии пространства-времени, а ещё один – для квантовых состояний струны. Самое интересное в теории струн то, что она способна дать нам рабочую квантовую теорию гравитации.

Брайан Грин делает презентацию по теории струн

Всё это не означает, что вопрос решён, и что теория струн – это путь к квантовой гравитации. Великая надежда теории струн состоит в том, что эти аналогии смогут удержаться на всех масштабах, и что появится недвусмысленное соответствие типа «один к одному» струнной картины мира и Вселенной, которую мы наблюдаем вокруг нас.

Пока что картина мира со струнами и суперструнами непротиворечива лишь в нескольких наборах измерений, и наиболее многообещающий из них не даёт нам четырёхмерной гравитации Эйнштейна, описывающей нашу Вселенную. Вместо этого мы обнаруживаем 10-мерную теорию гравитации Бранса - Дикке . Чтобы восстановить гравитацию, имеющуюся в нашей Вселенной, необходимо «избавиться» от шести измерений и устремить константу связи ω к бесконечности.

Если вы слышали термин «компактификация» в приложении к теории струн – это просто слово, обозначающее, что мы должны разгадать эти загадки. Пока что многие люди предполагают существование полного и убедительного решения, подходящего для компактификации. Но вопрос того, как получить Эйнштейновскую гравитацию и 3+1 измерения из 10-мерной теории, остаётся открытым.

Двумерная проекция многообразия Калаби-Яу , одного из популярных методов компактификации дополнительных, ненужных измерений теории струн

Теория струн предлагает путь к квантовой гравитации, с которым могут сравниться немногие альтернативы. Если сделать разумные выводы по поводу того, как работает математика, мы сможем получить из неё как ОТО, так и Стандартную модель. На сегодня это единственная идея, которая даёт нам это – поэтому за ней так отчаянно гонятся. Неважно, выступаете ли вы за успех теории струн или за провал, или как вы относитесь к отсутствию проверяемых предсказаний, она, без сомнения, остаётся одной из наиболее активных областей исследования теоретической физики. По сути, теория струн выделяется, как лидирующая идея среди мечтаний физиков об окончательной теории.

Теги: Добавить метки

Теория относительности представляет Вселенную «плоской», но квантовая механика утверждает, что на микроуровне происходит бесконечное движение, искривляющее пространство. Теория струн объединяет эти идеи и представляет микрочастицы как следствие объединения тончайших одномерных струн, которые будут иметь вид точечных микрочастиц, следовательно, не могут наблюдаться экспериментально.

Данная гипотеза позволяет представить элементарные частицы, составляющие атом из ультрамикроскопических волокон, называемых струнами.

Все свойства элементарных частиц объясняются резонансным колебанием волокон, их образующих. Эти волокна могут совершать бесконечное множество вариантов вибраций. Данная теория предполагает объединение идей квантовой механики и теории относительности. Но из-за наличия множества проблем в подтверждении мыслей заложенных в ее основе большая часть современных ученых считают, что предложенные идеи не более чем самая обыкновенная профанация или другими словами — теория струн для чайников, то есть для людей, которые совершенно не разбираются в науке и строении окружающего мира.

Свойства ультрамикроскопических волокон

Чтобы понять их суть, можно представить струны музыкальных инструментов – они могут вибрировать, изгибаться, сворачиваться. Тоже происходит и с этими нитями, которые издавая определенные вибрации, взаимодействуют друг с другом, сворачиваются в петли и образуют более крупные частицы (электроны, кварки), масса которых зависит от частоты вибрации волокон и их натянутости – эти показатели определяют энергию струн. Чем больше излучаемая энергия, тем выше масса элементарной частицы.

Инфляционная теория и струны

Согласно инфляционной гипотезе, Вселенная была создана благодаря расширению микро пространства, размером в струну (длина Планка). По мере увеличения этой области растягивались и так называемые ультрамикроскопические волокна, теперь их длина соизмерима с размерами Вселенной. Они точно так же взаимодействуют между собой и производят те же вибрации и колебания. Выглядит это как производимый ими эффект гравитационных линз, искажающих лучи света дальних галактик. А продольные колебания порождают гравитационное излучение.

Математическая несостоятельность и другие проблемы

Одной из проблем считается математическая несостоятельность теории — физикам, изучающим ее, не хватает формул для приведения ее в завершенный вид. А вторая заключается в том, что данная теория полагает, о существовании 10 измерений, но мы ощущаем всего 4 – высота, ширина, длина и время. Ученые предполагают, что остальные 6 — в скрученном состоянии, наличие которых не ощущается в реальном времени. Также проблемой является не возможность экспериментального подтверждения этой теории, но и опровергнуть ее никто не может.

Теоретическая физика является малопонятной для многих, но в то же время несет первостепенное значение в изучении окружающего нас мира. Задача любого физика теоретика состоит в построении математической модели, теории способной объяснить те или иные процессы в природе.

Надобность

Как известно, физические законы макромира, то есть мира, в котором существуем мы, значительно отличаются от законов природы в микромире – в пределах которого обитают атомы, молекулы и элементарные частицы. Примером будет сложный для понимания принцип под названием карпускулярно-волновой дуализм, согласно которому микрообъекты (электрон, протон и другие) могут быть как частицами, так и волной.

Как и нам, физикам-теоретикам хочется описать мир кратко и понятно, что и есть основным призванием теории струн. С ее помощью можно объяснить некоторые физические процессы, как на уровне макромира, так и на уровне микромира, что делает ее универсальной, объединяющей другие ранее не связанные теории (общую теорию относительности и квантовую механику).

Суть

Согласно теории струн, весь мир строится не из частиц, как считается сегодня, а из бесконечно тонких объектов длиною в 10−35 м, имеющих способность совершать колебания, что позволяет провести аналогию со струнами. При помощи сложного математического механизма эти колебания можно связать с энергией, а значит и с массой, другими словами любая частица возникает в результате того или иного типа колебания квантовой струны.

Проблемы и особенности

Как и любая неподтвержденная теория, теория струн имеет ряд проблем, которые говорят о том, что она требует доработки. В число этих проблем входит, к примеру, таковая - в результате вычислений математически был новый тип частиц, которые не могут существовать в природе – тахионы, квадрат массы которых меньше нуля, а скорость перемещения превышает скорость света.

Другой же важной проблемой, или скорее особенностью есть существование теории струн лишь в 10-мерном пространстве. Почему же мы воспринимаем другие измерения? – Ученые пришли к выводу, что на очень маленьких масштабах эти пространства сворачиваются и замыкаются сами по себе, в результате чего нам не удается их определить.

Развитие

Существует два типа частиц: фермионы - частицы вещества, и бозоны – переносчики взаимодействия. К примеру, фотон является бозоном, переносящим электромагнитное взаимодействие, гравитон – гравитационное, или тот же бозон Хиггса, распространяющий взаимодействие с полем Хиггса. Так вот если теория струн учитывала лишь бозоны, то теория суперструн также учла и фермионы, что позволило избавиться от тахионов.

Конечный вариант принципа суперструн разработан Эдвардом Виттеном и называется «м-теория», согласно которой для объединения всех различных версий суперструнной теории следует ввести 11-тое измерение.

На этом, пожалуй, можно и закончить. Работы по решению проблем и доработки имеющейся математической модели усердно ведутся физиками-теоретиками разных стран мира. Возможно, вскоре мы наконец-то сможем понять структуру окружающего нас мира, однако оглядываясь на объем и сложность вышесказанного, очевидно, что полученное описание мира не будет понятно без определенной базы знаний в области физики и математики.