Теория струн кратко видео

Обновлено: 05.07.2024

Вообще-то тревожные настроения среди ученых стали зарождаться еще раньше, в то время когда Макс Планк предположил, что видимый свет, рентгеновские лучи и другие электромагнитные волны могут испускаться только некоторыми дискретными порциями энергии, называемыми квантами. К тому же выяснилось, что может меняться и статус микрочастиц, поскольку существует такое явление как корпускулярно-волновой дуализм и в одних случаях частица может быть волной, а в другом, собственно, частицей.

Но когда окончательно стало понятно, что есть микромир, в котором субатомные частицы, ведут себя абсолютно не так, как в окружающем нас макромире, а законы физики вступают в противоречие не только с физикой, но и со здравом смыслом в принципе, ученым пришлось крепко задуматься над тем, что кроме Общей теории относительности должны быть другие законы, объясняющие странный мир квантов.

После того, как плавная и предсказуемая Общая теория относительности оказалась в неразрешимом конфликте с плутоватой квантовой механикой, лучшие умы человечества, начиная с Эйнштейна, принялись формулировать новую теорию, которая смогла бы примирить микро- и макромир. Так, начал вырисовываться фундаментальный физический принцип, получивший прекрасное название Теория всего или Теория струн, которая стала воплощением мечты всех физиков по объединению двух противоречащих друг другу ОТО и квантовой механики.

Всесторонне изучая нашу вселенную, ученые определяют ряд закономерностей, фактов, которые впоследствии становятся законами, доказанными гипотезами. На основе них продолжаются другие исследования способствующие всестороннему изучению мира в цифрах.

Теория струн вселенной – способ представления пространства вселенной, состоящей из неких нитей, которые и называют струнами и бранами. Говоря проще (для чайников), основой мира являются не частицы(как мы знаем), а вибрирующие энергетические элементы называемые струнами и бранами. Размер струны очень и очень мал — примерно 10 -33 см.

Теория струн математическая, то есть физическая природа описана уравнениями. Их много, но единого и верного нет. Экспериментально скрытые измерения вселенной еще не удалось определить.

В основу теории положено 5 концепций:

Мир состоит из нитей, находящихся в вибрирующем состоянии и энергетических мембран.
В теории основой является теорию гравитации и квантовой физики.
Теория объединяет все основные силы вселенной.
Частицы бозоны и фермионы имеют новый вид связи – суперсимметрию.
Теория описывает ненаблюдаемые человеческим глазом измерения во Вселенной.

Впервые о данной теории мир услышал в семидесятых годах ХХ века. Имена ученых в развитии данной гипотезы:

Виттен;
Венециано;
Грин;
Гросс;
Каку;
Малдасена;
Поляков;
Сасскинд;
Шварц.

Энергетические нити считали одномерными – струнами. Это значит, что у струны есть 1 измерение – длина (высоты нет). Различают 2 вида:

открытые, в которых концы не прикасаются друг к другу;
замкнутые – петля.

Было установлено, что они могут взаимодействовать и таких вариантов 5. В основе этого лежит возможность соединять, разъединять концы. Невозможно отсутствие кольцевых струн, по причине возможности объединения открытых струн.

Вследствие этого, ученые полагают, что теория способна описать не объединение частиц, а поведение, силу тяжести. Браны или листы рассматривают как элементы, к которым крепятся струны.

Квантовая гравитация

В физике существует квантовый закон и общая теория относительности. Квантовая физика изучает частицы в масштабах вселенной. Гипотезы в ней называются теориями квантовой гравитации среди наиболее важных считают струнную.

Замкнутые нити в ней работают соответственно силам тяжести, обладая свойствами гравитона – частица, которая переносит свойства между частицами.

Объединение сил. Теория включает объединенные силы в одну – электромагнитную, ядерную, гравитационную. Ученые считают, что именно так было раньше, до того как силы разделили.

Суперсимметрия. Согласно понятию суперсимметрии, между бозонами и фермионами (структурными единицами вселенной) есть связь. Для каждого из бозонов существует фермион, верно и обратное: для фермиона есть бозон. Рассчитано это на основе уравнений, но не подтверждено экспериментально. Плюсом суперсимметрии является возможность исключения некоторых переменных (бесконечных, мнимых энергетических уровней).

По мнению физиков, причиной отсутствия возможности доказать суперсимметрию является причина необходимости большой энергии, связанной с массой. Она была раньше, до периода снижения температуры во вселенной. После Большого взрыва произошло рассеивание энергии и переход частиц на более низкие энергетические уровни.

Говоря проще, струны, которые могли вибрировать со свойствами частиц с большой энергией, утратив ее, стали низко вибрационными.

Создавая ускорители частиц, ученые хотят определить супер симметричные элементы с необходимым энергетическим уровнем.

Дополнительные измерения теории струн

Следствием теории струн является математическое представление, согласно которому должно быть больше 3 измерений. Первое объяснение этого – дополнительные измерения стали компактными, маленькими вследствие чего их нельзя увидеть, воспринять.

Мы существуем в трехмерной бране, став отрезанными от других измерений. Только возможность использовать математическое моделирование дала надежду на получение координат, которые бы связали их. Последние исследования в этой области дают возможность предполагать появление новых оптимистических данных.

Простое понимание цели

Ученые всего мира, исследуя супер струны, стараются обосновать теорию относительно всей физической реальности. Единая гипотеза могла бы все характеризовать на фундаментальном уровне, объяснив вопросы устройства планеты.

Теория струн появилась при описании адронов, частиц с высшими колебательными состояниями струны. Если говорить коротко, то она легко поясняет переход длины в массу.

Теорий суперструн много. Сегодня не известно достоверно, возможно ли с помощью нее объяснить теорию пространства времени точнее Эйнштейна. Проведенные измерения точных данных не дают. Одни из них, касающиеся пространства времени, являлись следствием взаимодействий струн, но в конечном счете были подвержены критике.

Теория гравитации станет основным следствием описываемой теории в случае ее подтверждения.

Струны и браны стали толчком к появлению более 10 тысяч вариантов суждений о вселенной. Книги по теории струн есть в общем доступе в интернете, подробно и понятно описывается авторами:

Мнения, доказательства, рассуждения и все мельчайшие подробности можно узнать, заглянув в одну из многих книг, которые доступно и интересно дают понять информацию о мире. Физики объясняют существующую вселенную нашим нахождением, существованием других вселенных (даже аналогичных нашей). По Эйнштейну, есть свернутый вариант пространства.

В теории суперструн могут соединяться точки параллельных миров. Установленные законы в физике дают надежду на возможность перехода среди вселенных. Одновременно с этим, квантовая теория гравитации нивелирует это.

Физики говорят и о голографической фиксации данных, когда они записываются на поверхности. Это в будущем даст толчок к пониманию суждения об энергетических нитях. Есть суждения о множественности измерений времени и возможности перемещении в нем. Гипотеза большого взрыва по причине столкновения 2 бран говорит о возможности повторения циклов.

Мироздание, появление всего и постепенное преобразование всего всегда занимало выдающиеся умы человечества. Новые открытия были, есть и будут. Конечная трактовка теории струн даст возможность определить плотность материи, космологическую постоянную.

Благодаря этому, определят способность вселенной сжиматься до последующего момента взрыва и нового начала всего. Теории разрабатывают, доказывают и они к чему-то приводят. Так, уравнение Эйнштейна, описывающее зависимость энергии от массы и квадрата скорости света E=mc^2 впоследствии стало толчком к появлению ядерного оружия. После этого изобрели и лазер, транзистор. Сегодня неизвестно чего ждать, но к чему-то это непременно приведет.

Теория струн гласит, что неделимые субатомные частицы состоят из крошечных маленьких струн, вибрирующих по определенной схеме. Каждый колебательный паттерн соответствует разным частицам. Электрон - это не что иное, как струна, вибрирующая по одному шаблону, а протон - это струна, вибрирующая по другому шаблону. Это просто математическая концепция, нет никаких экспериментальных доказательств теории струн.

В природе существуют четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнетизм и слабые и сильные ядерные силы. Одна из главных целей физиков - разработать теорию, которая может описать все эти силы.

За последние 6 десятилетий, пытаясь объединить все силы, физики-теоретики выдвинули много разных интересных идей и новых теорий. Одна из самых многообещающих из этих теорий - теория струн.

Теория струн в настоящее время стала самой противоречивой концепцией в физике, целью которой является объединение двух столпов физики 20-го века: теории относительности Эйнштейна и квантовой механики. Проще говоря, это всеобъемлющая структура, которая может объяснить всю физическую реальность (если она доказана).

Основная идея теории струн

Выбери что-нибудь вокруг себя. Допустим, вы взяли яблоко со стола. 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.

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.

5 основных элементов теории струн

1. 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. В настоящее время мы живем в трех пространственных измерениях, но теория струн требует более шести высоких измерений в дополнение к четырем общим измерениям (3D + время), чтобы иметь смысл.

2. 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.

Принцип суперсимметрии был открыт вне теории струн. Однако его включение в теорию струн позволяет определенному члену в уравнениях вычеркнуть и придать смысл. Без этого принципа уравнения теории струн приводят к физическим несоответствиям, таким как воображаемые уровни энергии и бесконечные значения.

Другими словами, объединение идеи суперсимметрии с теорией струн дает лучшую теорию, теорию суперструн.

Физики надеются, что эксперименты с ускорителями частиц и астрономические наблюдения позволят выявить несколько суперсимметричных частиц, что обеспечит поддержку теоретических основ теории струн.

3. Объединение сил

Современная физика имеет два совершенно разных закона: общая теория относительности и квантовая механика. Относительность изучает большие объекты в масштабе планет, галактик и вселенной, в то время как квантовая механика имеет тенденцию изучать крошечные объекты в природе на самых маленьких масштабах энергетических уровней атомов и субатомных частиц.

Не совсем понятно, как гравитация влияет на мельчайшие частицы. Теории, которые стремятся описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, называются теориями квантовой гравитации, и одной из наиболее многообещающих из всех таких теорий является теория струн.

4. Открытые и закрытые струны

5 фундаментальных взаимодействий струны типа I

Струны в теории струн имеют две формы: открытые и закрытые струны. Две открытые струны могут соединяться с обоих концов, образуя закрытую струну. Или несколько открытых струн могут присоединиться к одному концу, чтобы сформировать новую открытую струну.

Такие струны, известные как струны типа I, могут проходить через 5 основных типов взаимодействий. Эти взаимодействия зависят от способности струны соединять и разделять концы концов.

Ученые считают, что у замкнутых струн есть особые атрибуты, которые могут описывать гравитацию в квантовой механике.

Считается, что характерная шкала длины струн составляет порядка 10 -35 метров, или длины Планка. Это масштаб, при котором эффекты квантовой гравитации становятся значительными.

5. М-Теория

Связь между M-теорией, теориями суперструн и 11D супергравитацией | Wikimedia

Со временем ученые придумали пять различных версий теории суперструн: Тип I, Тип IIA, Тип IIIB и две версии теории гетеротических струн.

Однако в 1995 году американский физик-теоретик Эдвард Виттен объединил все пять теорий в одну 11-мерную теорию, называемую М-теорией. Это может обеспечить основу для построения единой теории всех фундаментальных сил во Вселенной.

Кто открыл теорию струн?

Теория струн взята из теории S-матриц, исследовательской программы, начатой Вернером Гейзенбергом в 1943 году. Целью этой программы было заменить локальную квантовую теорию поля как основной принцип физики элементарных частиц.

Ускорители частиц 1950-х и 60-х годов в изобилии производили адроны. Физики изобрели множество различных моделей для описания структуры спинов и масс этих сильно взаимодействующих частиц (состоящих из кварков).

Итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано сыграл главную роль в разработке этих ранних моделей. Он сформулировал основы теории струн в 1968 году, когда обнаружил, что крошечные струны могут описывать взаимодействия адронов.

Он также опубликовал статью в 1991 году, в которой описывается, как инфляционная космологическая модель может быть получена из теории струн.

Сегодня, благодаря совместным усилиям многих исследователей, теория струн превратилась в широкую и разнообразную тему, связанную с чистой математикой, космологией, физикой конденсированного состояния и квантовой гравитацией.

Является ли теория струн теорией всего?

Ну, быстрый ответ - нет.

Теория Всего - это гипотетическая основа физики, которая полностью описывает и связывает воедино все физические аспекты вселенной. Найти такую теорию - главная мечта физиков-теоретиков.

Для достижения этой цели теория струн стала многообещающим кандидатом в Теорию Всего. До сих пор он успешно объяснил многие сложные явления, в том числе черные дыры , которые требуют как квантовой механики, так и общей теории относительности для их изучения.

Согласно теории струн, все четыре фундаментальные силы когда-то были единой фундаментальной силой в начале вселенной - через 10–43 секунды после Большого взрыва.

Это также дало новые идеи в отношении кварк-глюонной плазмы и дал много результатов, некоторые из которых могут показаться непонятными или абсурдными. Например, теория струн допускает около 10500 вселенных или обширную мультивселенную. Это одна из причин, она столкнулась с многочисленными неудачами в прошлом.

Почему теория струн важна?

Хотя теория струн до сих пор не дала каких-либо проверяемых экспериментальных предсказаний, математика в теории струн сработала. И именно поэтому это чрезвычайно полезно.

За последние несколько десятилетий теория струн предложила несколько убедительных и достоверных решений.

вдохновил всю область исследований суперсимметрии,
помог нам понять энтропию черной дыры,
вдохновили новые подходы к традиционным вычислениям в квантовой теории поля.

Исследователи также установили связь между рамками квантовой теории поля и теории струн, которая называется AdS / CFT-соответствием.

Так что, может быть, история теории струн - это не теория всего, но, конечно, это не отдельная совокупность исследований, проводимых в каком-то неясном уголке науки. Вместо этого он может указать нам правильное направление и помочь нам открыть новые аспекты квантового мира и немного прекрасной математики.

Мы еще не знаем, какова истинная природа реальности, но мы будем продолжать копать, пока не узнаем.

Теория струн - это одна из самых прогрессивных теорий современной физики, претендующая на звании "теории всего", т.е. такой теории, которая способна объяснить сущность мироздания на самом фундаментальном уровне. Сегодня эта теория является главной темой большинства научно-популярных передач и книг по физике. Она не дает покоя всем людям, интересующимся наукой на любительском и профессиональном уровне. Разобраться в ней крайне сложно даже самим физикам. И тем не менее, давайте все-таки попытаемся понять в чем же суть и величии данной теории. Но для этого нам придется отправится на несколько веков назад в историю науки.

Яблоко здесь ни при чем

Еще в XVII веке величайший ученый, чье имя известно всем и каждому - Исаак Ньютон, заложил основы классической механики. Он показал, что есть некое абсолютное, неизменное пространство и время, в рамках которых протекают все процессы. И. Ньютон даже вывел три закона, объясняющие как именно функционирует наш мир, показал как работает сила притяжения (гравитация). Однако, не сумел объяснить ее суть.

Так вот почему он показывал всем язык!

В начале XX века другой, не менее известный и гениальный ученый Альберт Эйнштейн решил завершить дело, начатое Ньютоном - объяснить что есть гравитация. Но в ходе своих исследований Эйнштейн увидел, что не только сущность гравитации представляет собой серьезную проблему, но и сами пространство и время не являются такими уж абсолютными и неизменными. В этом и заключается Теория относительности: пространство и время могут изменяться, искривляться и происходит это под действием массы тела, а также во многом зависит от скорости движения объекта (чем ближе к скорости света, тем медленнее идет время). Отсюда был сделан вывод и о гравитации: гравитация есть не какая-то загадочная "сила притяжения", а всего лишь навсего искривление пространства!

Так, Ньютон показал как функционирует механика в нашем, земном мире, Эйнштейн объяснил по каким законам живет космос. И все бы ничего, но тут в дело вмешалась квантовая физика.

Квантовое безобразие

Ученые от квантовой физики, в свою очередь, совсем не кстати для Эйнштейна, показали, что свои, совершенно особые законы действуют не только в макромире (космосе), но и в микромире. А самый главный ночной кошмар физиков заключается в том, что законы макромира (теория относительности) и законы микромира (квантовая механика) друг с другом не сочетаются и даже взаимно исключают друг друга. Но ведь они есть! И макромир и микромир как-то же сосуществуют в нашей физической реальности! А значит что-то не так с научными теориями, неспособными объяснить это противоречие.Так начались поиски новой теории, способной объяснить и воссоединить "и то, и другое" (теорию относительности и квантовую механику).

Вселенская гармония

Именно такой теорией сегодня и может стать теория струн. Именно она способна "примирить" фундаментальные физические противоречия. Так в чем же ее смысл? Согласно теории струн, в основе нашего мира лежат некие практические безмерные элементы ("струны"), которые несоизмеримо меньше даже атомного ядра и запрятаны в потаенных измерениях пространства (согласно теории струн, пространство может иметь 10 и более измерений). Вибрации этих "струн" порождают все известные нам элементарные частицы.

Далее в дело вступает математика, которая на языке формул снимает противоречие между теорией относительности и квантовой механикой. Логика примерно такая: так как в пространстве около 10 измерений, в которых "запрятаны" струны, то оно действительно может искривляться во все стороны, порождая не только гравитацию, но и саму вибрацию этих струн, что в свою очередь порождает элементарные частицы и все движения в микромире.

Есть над чем подумать

Это, пожалуй, примерно и есть тот максимум, который может осознать среднестатистический человек, не прибегая к сложным математическим формулам и неукладываемым в голове физическим понятиям. Стоит отметить, что сегодня не только теория струн претендует на звание "теории всего", и как же разрешится в итоге этот фундаментальный физический парадокс (несовместимость теории относительности и квантовой механики) покажет лишь время и новые гении. Хочется лишь надеяться, что произойдет это на нашем веку.

Да уж! Современная физика - она такая, без бутылки, как говорится, не разберешься. Иной раз ведь действительно полезно отвлечься и немного расслабиться. Если вам уже исполнилось 18 лет, то пить алкоголь конечно можно, хотя лучше вести здоровый образ жизни. И всё-таки мы настоятельно рекомендуем уж если и употреблять, то исключительно в меру и только самые элитные и дорогие напитки! Например, этот магазин элитного алкоголя может помочь вам сделать правильный выбор. Но главное, помните - алкоголь не может быть самоцелью. Он может быть лишь дозированным инструментом для снятия напряжения после эффективной, усердной и плодотворной работы!

Читайте также: