Теория суперструн кратко и понятно

Обновлено: 08.07.2024

Вы, наверное, слышали о том, что самая популярная научная теория нашего времени — теория струн, — подразумевает существование гораздо большего количества измерений, чем подсказывает нам здравый смысл.

Самая большая проблема у теоретических физиков — как объединить все фундаментальные взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное) в единую теорию. Теория суперструн как раз претендует на роль Теории Всего.

Но оказалось, что самое удобное количество измерений, необходимое для работы этой теории — целых десять (девять из которых — пространственные, и одно — временное)! Если измерений больше или меньше, математические уравнения дают иррациональные результаты, уходящие в бесконечность — сингулярность.

Следующий этап развития теории суперструн — М-теория — насчитала уже одиннадцать размерностей. А ещё один её вариант — F-теория — все двенадцать. И это вовсе не усложнение. F-теория описывает 12-мерное пространство более простыми уравнениями, чем М-теория — 11-мерное.

Конечно, теоретическая физика не зря называется теоретической. Все её достижения существуют пока что только на бумаге. Так, чтобы объяснить почему же мы можем перемещаться только в трёхмерном пространстве, учёные заговорили о том, как несчастным остальным измерениям пришлось скукожиться в компактные сферы на квантовом уровне. Если быть точными, то не в сферы, а в пространства Калаби-Яу. Это такие трёхмерные фигурки, внутри которых свой собственный мир с собственной размерностью. Двухмерная проекция подобный многообразий выглядит приблизительно так:

Таких фигурок известно более 470 миллионов. Которая из них соответствует нашей действительности, в данный момент вычисляется. Нелегко это — быть теоретическим физиком.

Да, это кажется немного притянутым за уши. Но может, именно этим и объясняется, почему квантовый мир так отличается от воспринимаемого нами.

Давайте немного окунемся в историю

В 1968 г. молодой физик-теоретик Габриэле Венециано корпел над осмыслением многочисленных экспериментально наблюдаемых характеристик сильного ядерного взаимодействия. Венециано, который в то время работал в ЦЕРНе, Европейской ускорительной лаборатории, находящейся в Женеве (Швейцария), трудился над этой проблемой в течение нескольких лет, пока однажды его не осенила блестящая догадка. К большому своему удивлению он понял, что экзотическая математическая формула, придуманная примерно за двести лет до этого знаменитым швейцарским математиком Леонардом Эйлером в чисто математических целях – так называемая бета-функция Эйлера, – похоже, способна описать одним махом все многочисленные свойства частиц, участвующих в сильном ядерном взаимодействии. Подмеченное Венециано свойство давало мощное математическое описание многим особенностям сильного взаимодействия; оно вызвало шквал работ, в которых бета-функция и ее различные обобщения использовались для описания огромных массивов данных, накопленных при изучении столкновений частиц по всему миру. Однако в определенном смысле наблюдение Венециано было неполным. Подобно зазубренной наизусть формуле, используемой студентом, который не понимает ее смысла или значения, бета-функция Эйлера работала, но никто не понимал почему. Это была формула, которая требовала объяснения.

Габриеле Венециано (Gabriele Veneziano)

Положение дел изменилось в 1970 г., когда Йохиро Намбу из Чикагского университета, Хольгер Нильсен из института Нильса Бора и Леонард Сасскинд из Станфордского университета смогли выявить физический смысл, скрывавшийся за формулой Эйлера. Эти физики показали, что при представлении элементарных частиц маленькими колеблющимися одномерными струнами сильное взаимодействие этих частиц в точности описывается с помощью функции Эйлера. Если отрезки струн являются достаточно малыми, рассуждали эти исследователи, они по-прежнему будут выглядеть как точечные частицы, и, следовательно, не будут противоречить результатам экспериментальных наблюдений. Хотя эта теория была простой и интуитивно привлекательной, вскоре было показано, что описание сильного взаимодействия с помощью струн содержит изъяны. В начале 1970-х гг. специалисты по физике высоких энергий смогли глубже заглянуть в субатомный мир и показали, что ряд предсказаний модели, основанной на использовании струн, находится в прямом противоречии с результатами наблюдений. В то же время параллельно шло развитие квантово-полевой теории – квантовой хромодинамики, – в которой использовалась точечная модель частиц. Успехи этой теории в описании сильного взаимодействия привели к отказу от теории струн.

Так было до 1984 г. В своей статье, сыгравшей поворотную роль и подытожившей более чем десятилетние интенсивные исследования, которые по большей части были проигнорированы или отвергнуты большинством физиков, Грин и Шварц установили, что незначительное противоречие с квантовой теорией, которым страдала теория струн, может быть разрешено. Более того, они показали, что полученная в результате теория обладает достаточной широтой, чтобы охватить все четыре вида взаимодействий и все виды материи. Весть об этом результате распространилась по всему физическому сообществу: сотни специалистов по физике элементарных частиц прекращали работу над своими проектами, чтобы принять участие в штурме, который казался последней теоретической битвой в многовековом наступлении на глубочайшие основы мироздания.

Весть об успехе Грина и Шварца, в конце концов, дошла даже до аспирантов первого года обучения, и на смену прежнему унынию пришло возбуждающее ощущение причастности к поворотному моменту в истории физики. Многие из нас засиживались глубоко за полночь, штудируя увесистые фолианты по теоретической физике и абстрактной математике, знание которых необходимо для понимания теории струн.

Двумерная проекция трехмерного многообразия Калаби-Яу. Эта проекция дает представление о том, как сложно устроены дополнительные измерения

Однако на этом пути занимавшиеся теорией струн физики снова и снова натыкались на серьезные препятствия. В теоретической физике часто приходится иметь дело с уравнениями, которые либо слишком сложны для понимания, либо с трудом поддаются решению. Обычно в такой ситуации физики не пасуют и пытаются получить приближенное решение этих уравнений. Положение дел в теории струн намного сложнее. Даже сам вывод уравнений оказался столь сложным, что до сих пор удалось получить лишь их приближенный вид. Таким образом, физики, работающие в теории струн, оказались в ситуации, когда им приходится искать приближенные решения приближенных уравнений. После нескольких лет поражающего воображение прогресса, достигнутого в течение первой революции теории суперструн, физики столкнулись с тем, что используемые приближенные уравнения оказались неспособными дать правильный ответ на ряд важных вопросов, тормозя тем самым дальнейшее развитие исследований. Не имея конкретных идей по выходу за рамки этих приближенных методов, многие физики, работавшие в области теории струн, испытали растущее чувство разочарования и вернулись к своим прежним исследованиям. Для тех, кто остался, конец 1980-х и начало 1990-х гг. были периодом испытаний.

кликабельно 1700 рх

А теперь давайте хоть немного попробуем понять суть этой теории.

Начнём с начала. Нулевое измерение — это точка. У неё нет размеров. Двигаться некуда, никаких координат для обозначения местонахождения в таком измерении не нужно.

Поставим рядом с первой точкой вторую и проведём через них линию. Вот вам и первое измерение. У одномерного объекта есть размер — длина, но нет ни ширины, ни глубины. Движение в рамках одномерного пространства очень ограничено, ведь возникшее на пути препятствие не обойдёшь. Чтобы определить местонахождение на этом отрезке, понадобится всего одна координата.

Поставим рядом с отрезком точку. Чтобы уместить оба эти объекта, нам потребуется уже двумерное пространство, обладающее длиной и шириной, то есть, площадью, однако без глубины, то есть, объёма. Расположение любой точки на этом поле определяется двумя координатами.

Третье измерение возникает, когда мы добавляем к этой система третью ось координат. Нам, жителям трёхмерной вселенной, очень легко это представить.

Попробуем вообразить, как видят мир жители двухмерного пространства. Например, вот эти два человечка:

Теория суперструн, популярным языком, представляет вселенную как совокупность вибрирующих нитей энергии – струн. Они являются основой природы. Гипотеза описывает и другие элементы – браны. Все вещества в нашем мире состоят из колебаний струн и бран. Естественным следствием теории является описание гравитации. Именно поэтому ученые считают, что в ней содержится ключ к объединению силы тяжести с другими взаимодействиями.

Концепция развивается

Теория единого поля, теория суперструн, – сугубо математическая. Как и все физические концепции, она основана на уравнениях, которые могут быть определенным образом интерпретированы.

Сегодня никто не знает точно, каким будет окончательный вариант этой теории. Ученые имеют довольно смутное представление об ее общих элементах, но никто еще не придумал окончательного уравнения, охватившего бы все теории суперструн, а экспериментально до сих пор не удалось ее подтвердить (хотя и опровергнуть тоже). Физики создали упрощенные версии уравнения, но пока что оно не вполне описывает нашу вселенную.

Теория суперструн для начинающих

В основе гипотезы положены пять ключевых идей.

Теория суперструн предсказывает, что все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии.
Она пытается совместить общую теорию относительности (гравитации) с квантовой физикой.
Теория суперструн позволит объединить все фундаментальные силы вселенной.
Эта гипотеза предсказывает новую связь, суперсимметрию, между двумя принципиально различными типами частиц, бозонами и фермионами.
Концепция описывает ряд дополнительных, обычно ненаблюдаемых измерений Вселенной.

Струны и браны

Эти суперструны теория делит на два вида – замкнутые и открытые. Открытая струна имеет концы, которые не соприкасаются друг с другом, в то время как замкнутая струна является петлей без открытых концов. В итоге было установлено, что эти струны, называемые струнами первого типа, подвержены 5 основным типам взаимодействий.

Взаимодействия основаны на способности струны соединять и разделять свои концы. Поскольку концы открытых струн могут объединиться, чтобы образовывать замкнутые, нельзя построить теорию суперструн, не включающую закольцованные струны.

Это оказалось важным, так как замкнутые струны обладают свойствами, как полагают физики, которые могли бы описать гравитацию. Другими словами, ученые поняли, что теория суперструн вместо объяснения частиц материи может описывать их поведение и силу тяжести.

Через многие годы было обнаружено, что, кроме струн, теории необходимы и другие элементы. Их можно рассматривать как листы, или браны. Струны могут крепиться к их одной или обеим сторонам.

Квантовая гравитация

Современная физика имеет два основных научных закона: общую теорию относительности (ОТО) и квантовую. Они представляют совершенно разные области науки. Квантовая физика изучает мельчайшие природные частицы, а ОТО, как правило, описывает природу в масштабах планет, галактик и вселенной в целом. Гипотезы, которые пытаются объединить их, называются теориями квантовой гравитации. Наиболее перспективной из них сегодня является струнная.

Замкнутые нити соответствуют поведению силы тяжести. В частности, они обладают свойствами гравитона, частицы, переносящей гравитацию между объектами.

Объединение сил

Теория струн пытается объединить четыре силы – электромагнитную, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и гравитацию – в одну. В нашем мире они проявляют себя как четыре различные явления, но струнные теоретики считают, что в ранней Вселенной, когда были невероятно высокие уровни энергии, все эти силы описываются струнами, взаимодействующими друг с другом.

Суперсимметрия

Все частицы во вселенной можно разделить на два типа: бозоны и фермионы. Теория струн предсказывает, что между ними существует связь, называемая суперсимметрией. При суперсимметрии для каждого бозона должен существовать фермион и для каждого фермиона – бозон. К сожалению, экспериментально существование таких частиц не подтверждено.

Суперсимметрия является математической зависимостью между элементами физических уравнений. Она была обнаружена в другой области физики, а ее применение привело к переименованию в теорию суперсимметричных струн (или теория суперструн, популярным языком) в середине 1970 годов.

Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения, позволяя исключить некоторые переменные. Без суперсимметрии уравнения приводят к физическим противоречиям, таким как бесконечные значения и воображаемые энергетические уровни.

Поскольку ученые не наблюдали частицы, предсказанные суперсимметрией, она все еще является гипотезой. Многие физики считают, что причина этого – необходимость в значительном количестве энергии, которая связана с массой известным уравнением Эйнштейна E = mc 2 . Эти частицы могли существовать в ранней вселенной, но так как она остыла, и после Большого взрыва энергия распространилась, эти частицы перешли на низкоэнергетические уровни.

Другими словами, струны, вибрировавшие как высокоэнергетические частицы, утратили энергию, что превратило их в элементы с более низкой вибрацией.

Ученые надеются, что астрономические наблюдения или эксперименты с ускорителями частиц подтвердят теорию, выявив некоторые из суперсимметричных элементов с более высокой энергией.

Дополнительные измерения

Другим математическим следствием теории струн является то, что она имеет смысл в мире, число измерений которого больше трех. В настоящее время этому существует два объяснения:

Дополнительные измерения (шесть из них) свернулись, или, в терминологии теории струн, компактифицировались до невероятно малых размеров, воспринять которые никогда не удастся.
Мы застряли в 3-мерной бране, а другие измерения простираются вне ее и для нас недоступны.

Важным направлением исследований среди теоретиков является математическое моделирование того, как эти дополнительные координаты могут быть связаны с нашими. Последние результаты предсказывают, что ученые в скором времени смогут обнаружить эти дополнительные измерения (если они существуют) в предстоящих экспериментах, так как они могут быть больше, чем ожидалось ранее.

Понимание цели

Объяснение материи и массы

Одна из основных задач современных исследований – поиск решения для реальных частиц.

Теория струн начиналась как концепция, описывающая такие частицы, как адроны, различными высшими колебательными состояниями струны. В большинстве современных формулировок, материя, наблюдаемая в нашей вселенной, является результатом колебаний струн и бран с наименьшей энергией. Вибрации с большей порождают высокоэнергичные частицы, которые в настоящее время в нашем мире не существуют.

Масса этих элементарных частиц является проявлением того, как струны и браны завернуты в компактифицированных дополнительных измерениях. Например, в упрощенном случае, когда они свернуты в форме бублика, называемом математиками и физиками тором, струна может обернуть эту форму двумя способами:

короткая петля через середину тора;
длинная петля вокруг всей внешней окружности тора.

Короткая петля будет легкой частицей, а большая – тяжелой. При оборачивании струн вокруг торообразных компактифицированных измерений образуются новые элементы с различными массами.

Теория суперструн кратко и понятно, просто и элегантно объясняет переход длины в массу. Свернутые измерения здесь гораздо сложнее тора, но в принципе они работают также.

Возможно даже, хотя это трудно представить, что струна оборачивает тор в двух направлениях одновременно, результатом чего будет другая частица с другой массой. Браны тоже могут оборачивать дополнительные измерения, создавая еще больше возможностей.

Определение пространства и времени

Во многих версиях теория суперструн измерения сворачивает, делая их ненаблюдаемыми на современном уровне развития технологии.

В настоящее время не ясно, сможет ли теория струн объяснить фундаментальную природу пространства и времени больше, чем это сделал Эйнштейн. В ней измерения являются фоном для взаимодействия струн и самостоятельного реального смысла не имеют.

Предлагались объяснения, до конца не доработанные, касавшиеся представления пространства-времени как производного общей суммы всех струнных взаимодействий.

Такой подход не отвечает представлениям некоторых физиков, что привело к критике гипотезы. Конкурентная теория петлевой квантовой гравитации в качестве отправной точки использует квантование пространства и времени. Некоторые считают, что в конечном итоге она окажется лишь другим подходом ко все той же базовой гипотезе.

Квантование силы тяжести

Главным достижением данной гипотезы, если она подтвердится, будет квантовая теория гравитации. Текущее описание силы тяжести в ОТО не согласуется с квантовой физикой. Последняя, накладывая ограничения на поведение небольших частиц, при попытке исследовать Вселенную в крайне малых масштабах ведет к возникновению противоречий.

Унификация сил

В настоящее время физикам известны четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнитная, слабые и сильные ядерные взаимодействия. Из теории струн следует, что все они когда-то являлись проявлениями одной.

Согласно этой гипотезе, так как ранняя вселенная остыла после большого взрыва, это единое взаимодействие стало распадаться на разные, действующие сегодня.

Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединение этих сил, хотя такие опыты находятся далеко за пределами текущего развития технологии.

Пять вариантов

После суперструнной революции 1984 г., разработки велись с лихорадочной быстротой. В итоге вместо одной концепции получилось пять, названных тип I, IIA, IIB, HO, HE, каждая из которых почти полностью описывала наш мир, но не до конца.

Физики, перебирая версии теории струн в надежде найти универсальную истинную формулу, создали 5 разных самодостаточных варианта. Какие-то их свойства отражали физическую реальность мира, другие не соответствовали действительности.

М-теория

На конференции в 1995 году физик Эдвард Виттен предложил смелое решение проблемы пяти гипотез. Основываясь на недавно обнаруженой дуальности, все они стали частными случаями единой всеобъемлющей концепции, названной Виттеном М-теория суперструн. Одним из ключевых ее понятий стали браны (сокращение от мембраны), фундаментальные объекты, обладающие более чем 1 измерением. Хотя автор не предложил полную версию, которой нет до сих пор, М-теория суперструн кратко состоит из таких черт:

11-мерность (10 пространственных плюс 1 временное измерение);
двойственности, которые приводят к пяти теориям, объясняющих ту же физическую реальность;
браны – струны, с более чем 1 измерением.

Следствия

В результате вместо одного возникло 10 500 решений. Для некоторых физиков это стало причиной кризиса, другие же приняли антропный принцип, объясняющий свойства вселенной нашим присутствием в ней. Остается ожидать, когда теоретики найдут другой способ ориентирования в теории суперструн.

Некоторые интерпретации говорят о том, что наш мир не единственный. Наиболее радикальные версии позволяют существование бесконечного числа вселенных, некоторые из которых содержат точные копии нашей.

Теория Эйнштейна предсказывает существование свернутого пространства, которое называют червоточиной или мостом Эйнштейна-Розена. В этом случае два отдаленных участка связаны коротким проходом. Теория суперструн позволяет не только это, но и соединение отдаленных точек параллельных миров. Возможен даже переход между вселенными с разными законами физики. Однако вероятен вариант, когда квантовая теория гравитации сделает их существование невозможным.

Многие физики считают, что голографический принцип, когда вся информация, содержащаяся в объеме пространства, соответствует информации, записанной на его поверхности, позволит глубже понять концепцию энергетических нитей.

Некоторые полагают, что теория суперструн позволяет множественность измерений времени, следствием чего может быть путешествие через них.

Кроме того, в рамках гипотезы существует альтернатива модели большого взрыва, согласно которой наша вселенная появилась в результате столкновения двух бран и проходит через повторяющиеся циклы создания и разрушения.

Конечная судьба мироздания всегда занимала физиков, и окончательная версия теории струн поможет определить плотность материи и космологическую константу. Зная эти значения, космологи смогут установить, будет ли вселенная сжиматься до тех пор, пока не взорвется, чтобы все началось снова.

Никто не знает, к чему может привести научная теория, пока она не будет разработана и проверена. Эйнштейн, записав уравнение E=mc 2 , не предполагал, что оно приведет к появлению ядерного оружия. Создатели квантовой физики не знали, что она станет основой для создания лазера и транзистора. И хотя сейчас еще не известно, к чему приведет такая сугубо теоретическая концепция, история свидетельствует о том, что наверняка получится что-то выдающееся.

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.

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.

Теория струн — это теория о том, что фундаментальными составляющими Вселенной являются одномерные "струны", а не точечные частицы (как это принято наукой). Эти бесконечные струны совершают колебания, которые похожи на движения струн.

Согласно науке, если постоянно увеличивать любой предмет под микроскопом, сначала можно увидеть молекулы, которые состоят из атомов, они состоят из электронов и ядер, ядра состоят из протонов и нейтронов, внутри нейтрона мы увидим кварки.

Считается, что после этого больше ничего нет. Однако согласно теории струн, внутри этих кварков существуют тончайшие вибрирующие струны.

Эта недоказанная теория в физике элементарных частиц объединяет квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна.

Некоторые физики считают, что при объединении квантовой физики и гравитации в одну именно у этой теории больше всего шансов стать "теорией всего" (гипотетический фундамент, который объясняет абсолютно все физические явления).

Однако есть и другие учёные, которые думают, что она является почти псевдонаукой, поскольку её практически невозможно проверить экспериментальным путём.

Теория суперструн

Теория суперструн — это сокращение от "суперсимметричная теория струн"; это ещё одна версия теории струн, которая для моделирования гравитации:

учитывает фермионы (частица с полуцелым значением спина),
учитывает бозоны (частица с целым значением спина),
включает суперсимметрию (связь между фермионами и бозонами).

Теория струн — это общее название всей области. Главное теоретическое отличие между теорией струн и теорией суперструн заключается в существовании суперсимметрии.

Варианты теории струн

Вместо одной теории, которая объясняет всё во Вселенной, на данный момент существуют целых пять теорий струн. Различия между этими теориями очень сложны математически.

Теория струн тип I: включает открытые и замкнутые струны; содержит форму симметрии, которая математически является группой симметрии O (32).
Теория струн тип IIA: открытые струны этого типа прикреплены к структурам (D-браны) с нечётным числом измерений; замкнутые струны (где модели колебаний симметричны) перемещаются независимо вправо и влево по замкнутой струне.
Теория струн тип IIB: открытые струны прикреплены к структурам (D-бранам) с чётным числом измерений; у замкнутых струн модели колебаний асимметричны (зависит от того, перемещаются ли они влево или вправо по струне).
Теория струн тип HO (англ: "Эйч О", полное название "Гетеротическая теория струн O (32)"): форма гетеротической теории струн; содержит только замкнутые струны, у которых правосторонние колебания напоминают струны типа II, а левосторонние напоминают бозонные струны.
Теория струн тип HE (англ. "Эйч И", полное название "Теория струн Гетеротик E8 x E8"): ещё одна форма гетеротической теории струн, также содержит только замкнутые струны, чьи правосторонние колебания напоминают струны типа II, а левосторонние напоминают бозонные струны. Группа симметрии отличается от предыдущей теории (типа HO). Этот тип также имеет важные математические различия в отношении группы симметрии.

Дополнительные измерения

Теории струн требуются дополнительные измерения: говорится о добавлении по меньшей мере 6 измерений к 4 известным (всего 10 измерений). В ней также предусмотрены способы связать большие дополнительные измерения с малыми.

Некоторые доклады по теории струн сообщают о 26-мерном пространстве, в теории суперструн говорится о 11-мерном пространстве (более гипотетическая теория суперструн/сверхструн под названием M-теория).

Мы знаем три измерения, что нас окружают — те, которые определяют длину, ширину и глубину всех объектов (оси x, y и z соответственно). Четвёртое измерение — это время, оно определяет свойства всей известной материи в любой заданной точке.

Кто открыл теорию струн?

Основателем теории струн, ключевым теоретиком, стоящим за самыми ранними моделями, считается итальянский физик-теоретик Габриеле Венециано (родился в 1942 г.).

Также в середине 1970-х годов одними из первых и наиболее важных теоретиков были:

Пьер Рамон,
Джон Шварц,
Андре Невё,
Джоэль Шерк.

Как возникла теория струн?

Эта теория началась с наблюдения резонанса элементарных частиц (возбуждённое состояние адрона, например, протон или нейтрон), которые образовывали регулярные паттерны. Они напоминали обертоны от натянутой струны (обертоны — частичные тоны, входящие в спектр музыкального звука).

В 1968 году, исходя из этого наблюдения, итальянский физик Габриеле Венециано сделал предположение о том, что на самом деле эти адроны (сильно взаимодействующие элементарные частицы) являются энергетическими колебаниями микроскопически малых струн. Таким образом, он предположил, что самой элементарной единицей является не точка, а струна.

В начале 1980-х годов физики-теоретики Майкл Грин (англичанин) и Джон Генри Шварц (американец) соединили теорию струн и суперсимметрию, так появилась теория суперструн.

Читайте также: