Теория бран кратко и понятно

Обновлено: 05.07.2024

Как правило, классическая (неквантовая) релятивистская динамика n-бран строится на основе принципа наименьшего действия для многообразия размерности n+1 (n пространственных измерений плюс временное), находящегося в пространстве высшей размерности. Координаты внешнего пространства-времени рассматриваются как поля, заданные на многообразии браны. При этом группа Лоренца становится группой внутренней симметрии этих полей.

Переход к квантовому описанию браны соответствует построению квантовой гравитации в искривленном пространстве браны, имеющем размерность n+1. В настоящее время такой переход получен только для струн (1-брана). Для бран высших размерностей квантовая теория отсутствует.

См. также

Литература

  • Релятивистская теория гравитации
  • Классические теории гравитации [4] [S]
  • [5] [S]
  • [6]
    • [7]
    • [8]
    • [10]
    • Космология самотворения массы [11]
    • Теория Эйнштейна-Картана [13]
      • [14]
      • [19]
      • [20]
      • Квантовая гравитация
        • [21]
        • [22] [S]
        • Евклидовая квантовая гравитация [23] [S]
        • [24] [S]
        • Петлевая квантовая гравитация
        • [25]
        • М-теория
          • Перечень терминов и имён, связанных с теорией струн [26]
          • [27]
            • Теория Калуцы-Клейна
            • Модель гравитации DGP [28] [S]

            [S] обозначены теории, сущность или описания которых требуют доработки

            Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: М-теория. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

            Всю свою историю физики со всего света пытаются создать "теорию всего". Они пытаются описать теорию, которая объяснит все фундаментальные взаимодействия, чтобы человечество узнало, из каких кирпичиков построен мир.

            Эти попытки описать "теорию всего" дали начало теории струн, которая впоследствии эволюционировала в М-теорию. Согласно этой новой теории существует не 3 пространственных измерений, а целых 10! Эта теория является, в каком-то смысле, кульминацией развития всех теорий физики XX века.

            Чтобы эта теория работала нужно больше, чем 3 привычных нам пространственных измерений. Основная идея этой теории состоит в том, что существует намного больше измерений, чем те, которые мы можем воспринять. Существует ещё 7 пространственных измерений, но мы не видим их, потому что они настолько крошечные, что требуется невероятно мощный микроскоп, коих пока что не существует.

            Многомерная геометрия работает немного по-другому, нежели обычная трехмерная, и поэтому есть вероятность того, то наш трехмерный мир расположен на некой многомерной поверхности, называемой брана (от слова мембрана) . Одним из возможных выводов этой теории является то, что в нескольких миллиметров от нашей браны находится другая такая брана, на которой тоже расположено свое трехмерное пространство. Это, так называемая, параллельная Вселенная на другой бране и таких параллельных Вселенных может быть бесконечное количество.

            Все фундаментальные частицы, из которых мы состоим, являются свёрнутыми бранами, и все измерения пространства, в пределах которых мы можем передвигаться, также состоят из бран. Получается все, что мы видим вокруг себя состоит из этих геометрических объектов. Разве что, фундаментальные частицы состоят из одномерных бран, которые также называют струнами.

            Также теория мира на бране пытается объяснить Большой Взрыв и возникновение нашей Вселенной. Некоторые теоретики выдвигают такую гипотезу, что наша брана однажды столкнулась с соседней браной, что и стало причиной Большого Взрыва, а те возмущения на нашей бране, возникшие после взаимодействия с другой браной, и есть наша Вселенная.

            Канал не позиционирует себя как источник стопроцентно правдивой информации, а лишь претендует быть таковым.


            Интересно, что первыми заговорили о мире с большим числом измерений вовсе не писатели-фантасты, а физики. Все дело в том, что Эйнштейн, создавая свою теорию гравитации, поступил дальновидно, как и подобает великому уму: в его знаменитых уравнениях общей теории относительности нет никаких ограничений на число измерений — их может быть сколько угодно. Если не давать волю фантазии и подставить, например, три пространственных измерения, а в качестве четвертого — время, получится закон тяготения Ньютона.

            Вопрос о дополнительных измерениях снова возник в начале 80-х годов прошлого века — с появлением в физике современных струнных теорий.

            Странный струнный мир

            Казалось бы, кирпичики мироздания должны становиться все проще и проще, как это происходило раньше — от атомов к протонам и электронам. Со струнами все не совсем так. Так, в новой Мтеории, или теории мембран, появившейся в 1995 году, элементарный кирпичик — уже двумерное образование, поверхность, образующая, например, тор или цилиндр. И из таких экзотических объектов, напоминающих мыльные пузыри, оказывается, можно склеить нашу Вселенную еще лучше, чем из кварков и электронов.

            Надо сказать, что в струнных теориях речь пока идет только о классической эйнштейновской гравитации. Что до квантовой гравитации, то для теоретиков она остается последней преградой на пути объединения всех физических законов, а уж дойдет ли здесь дело до эксперимента, вообще не ясно, потому что по современным представлениям гравитация была квантовой лишь во времена рождения Вселенной и, может быть, остается таковой и по сей день только в черных дырах. Экспериментаторы, в свою очередь, как люди сугубо практические, относятся к новым теориям с осторожностью, ведь превратить струны в реальные наблюдаемые объекты, чтобы сделать какие-нибудь экспериментальные предсказания, — все еще слишком сложная задача. Но несмотря на многочисленные проблемы струнная модель — это на сегодня наиболее удачная попытка объединить все физические законы и создать общую картину мира, где есть место и всяким частицам, и электрическим зарядам, и гравитации.

            Дополнительные измерения и закон Ньютона

            Кроме необычных элементарных кирпичиков, у струнных теорий есть еще одно интересное свойство. Оказывается, все они основываются на предположении, что окружающее нас пространство-время имеет больше четырех измерений. На сегодняшний день основных вариантов три: десять измерений — в теории суперструн, 11 — в М-теории и 26 — в так называемой теории бозонных струн.

            И тут возникает закономерный вопрос: если принять, что эти модели ближе всего к реальности и мир действительно такой многомерный, то почему же мы эти измерения не видим и не чувствуем? Если измерений всего четыре (три пространственных плюс время), то сила притяжения, согласно закону Ньютона, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. А если измерений больше? Тогда закон притяжения будет уже другим и это станет заметно в эксперименте. На обычных расстояниях в метры, километры или миллиарды километров, как в нашей Солнечной системе, закон Ньютона отлично выполняется и нет никаких признаков лишних измерений, кроме разве что случаев, когда вещи в нашем доме исчезают неизвестно куда. Но пока мы в других измерениях ищем оправдание своей рассеянности, физики вполне серьезно рассматривают вопрос о том, как состыковать наш трехмерный опыт с многомерной действительностью остального мира.

            Доброго времени суток, уважаемое хабрасообщество. После моего долгого отсутствия я решил вновь взяться за перо клавиатуру. Сегодня мы попробуем проследить эволюцию теории струн до М-теории, и найти ответы на вопросы: что подтолкнуло ученых к развитию данной теории, с какими проблемами им пришлось столкнуться, и над чем сейчас ломают головы лучшие умы человечества.

            Теория струн


            На Хабре уже была статья по теории струн. Если вкратце в 1968 году ученые обратили внимание, что математическая функция, которая называется бета-функция Эйлера, идеально описывает свойства частиц, которые участвуют в так называемом сильном взаимодействии — одном из четырёх фундаментальных взаимодействий во Вселенной.

            Первые же исследования показали, что теория струн достигает значительных успехов в описании наблюдаемых явлений. Одна из мод колебаний струны может быть идентифицирована как гравитон. Другие колебательные моды проявляют свойства фотонов и глюонов.

            Не без оснований казалось, что теория струн, способна свести все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной к одному — колебанию одномерной струны с соответствующим переносом энергии. При этом теория струн так же позволяет объяснить основные константы микромира с математической точки зрения. Становилось понятно, почему, например, массы элементарных частиц именно такие, какие есть.

            Кроме того, теория струн давала надежду на объединение ОТО (общая теория относительности) и квантовой механики в рамках одной теории. При расчётах выяснилось, что собственные колебания струн способны гасить и уравновешивать квантовые флуктуации и тем самым устранить возмущения на микроскопическом уровне, из-за которых ОТО и квантовую механику никак не удавалось подружить.

            Однако, при более глубоких исследованиях и проверках теории выявились серьёзные противоречия следствий с экспериментальными данными. Например, в теории струн обязательно присутствовала частица — тахион (квадрат массы которой меньше нуля, и движущаяся с скоростью большей скорости света) — как одна из колебательных мод струны, что подразумевало под собой нестабильное состояние струны и явно показывало, что теория струн требует модификации.

            Теория суперструн

            Суперсимметричные фермионы и сейчас пытаются зарегистрировать в экспериментах на Большом адронном коллайдере, но пока безуспешно.

            Многомерная Вселенная

            В то же время уравнения теории суперструн никак не хотели согласовываться с квантовой теорией, выдавая в результате отрицательные или бо́льше единицы вероятности.

            Чтобы были понятны предпосылки дальнейшего развития теории, совершим небольшой экскурс в историю. В далёком 1919 году немецкий математик Калуца прислал Эйнштейну письмо, где изложил свою теорию в которой делал допущение, что на самом деле Вселенная может быть четырёхмерной 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. Современники высмеяли теорию, вскоре и Эйнштейн, изначально заинтересовавшийся теорией, разочаровался в ней.

            Ученые в попытке объяснить несоответствия теории струн с квантовой механикой выдвинули предположение, что проблемы в расчётах были из-за того, 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…

            С практической точки зрения ни подтвердить, ни опровергнуть экспериментально это на данный момент невозможно, так как речь идёт о таких малых масштабах струн и свернутых измерений, которые недоступны для фиксации современной аппаратурой.


            Впрочем, работы продолжались, и постепенно ученым удалось вычленить из общей массы гипотез пять более-менее правдоподобных теорий, которые могли бы описать нашу Вселенную. Это 5 известных суперструнных теорий, при этом все они ра́вно претендовали на звание единственно верной и при этом выглядели несовместимыми между собой, что вызывало у ученых сильную обеспокоенность.

            М-теория


            Введение ещё одного измерения в целом не нарушает связь квантовой теории и ОТО, и более того — снимает очень многие накопившиеся проблемы в теории суперструн. В том числе успешно скрещивает все пять суперструнных теорий в одну-единственную M-теорию, которая на сегодня является без преувеличения высшим достижением физиков в деле познания Вселенной.


            Согласно M-теории получается, что основа Вселенной — не только одномерные струны. 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). М-теория оперирует двумерными и пятимерными бранами, но даже базовая теория бран на данный момент все ещё находится в разработке. Существование бран экспериментально не подтверждено — на данном этапе развития теории считается, что браны принципиально ненаблюдаемы.

            Однако, проблема с конечным видом пространства Калаби-Яу в М-теории всё ещё остается нерешенной — на макроскопических масштабах теория должна сводиться к известной и очень хорошо проверенной физике элементарных частиц. Но, как выясняется, способов такого сведения существует по меньшей мере 10 100 , а то и 10 500 , а то и вовсе бесконечность. При этом каждая из получившихся четырёхмерных теорий описывает свой собственный мир, который может быть похож на реальность, а может и принципиально отличаться от неё.

            Всё это из-за того, что свойства частиц считаются способом колебания струн, а возможные способы колебания струн зависят от точной геометрии дополнительных измерений. Существующим приближенным уравнениям удовлетворяет огромное количество разных геометрий. То есть эти уравнения были бы справедливы не только в нашем мире, но и в огромном количестве других миров, а возможно — в любом мире. Будь эти приближенные уравнения окончательными, теорию можно было бы признать нефальсифицируемой по Попперу, то есть ненаучной теорией. А так — нахождение точных уравнений, возможно, всё ещё расставит по своим местам.

            Теория струн и, в частности, М-теория, сегодня является одним из самых динамично развивающихся направлений современной физики. И хотя часть ученых из-за фундаментальных проблем довольно скептически относится к тому, что данная теория в конце концов приведет к физической теории, описывающей наш реальный мир. Существенная часть исследователей не оставляет своих надежд и верит, что в один прекрасный день М-теория таки оформится в элегантную и математически изящную Единую теорию всего.

            Надеюсь, что данная статья не оставила Вас равнодушными, и буду очень рад если Вы решите, что не зря потратили время за чтением.

            Читайте также: