Почта Мой МирОдноклассникиВКонтакте Игры Знакомства Новости Поиск Облако VK Combo Все проектыВсе проекты. В своей основе Теория струн отрицает теорию Большого взрыва и утверждает, что Вселенная существовала всегда. Главное преимущество теории струн является ее способность объединить общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику. В теории струн каждая струна колеблется так же, в зависимости от влияющих на нее факторов. Зачем физики ищут симметрию между элементарными частицами, и почему для работы теории струн нужно двадцать шесть измерений.
Что такое теория струн и может ли она открыть дверь в другие измерения
А теория струн может объединить эти две теории, например если сказать что световая волна это и есть струна с набором гармоник, которая и соответствует фотону. Новости науки, высокие технологии и научные открытия. Теория струн, вероятно, это одна из самых интригующих гипотез в мире науки. Новости науки, высокие технологии и научные открытия.
Теория суперструн популярным языком для чайников
Однако через короткое время и эти предположения не смогли полностью объяснить всех происходящих процессов, поскольку выяснились дополнительные несостыковки. Эта формула нуждалась в дополнительном объяснении. Через некоторое время даже пришлось забыть о перспективной теории струн, так как возникали новые предпосылки в квантовой хромодинамики. В ней использовалась точечная модель частиц. Позже часть ученых не смогла полностью отказаться от теории струн, и были найдены отдельные конфигурации колеблющихся струн. Они напоминали свойства глюонов.
Это давало возможность предположить, что существует теория сильного взаимодействия. В 70-е годы прошлого века европейские ученые смогли сделать громкое предположение, что превращало недостаток и пробел в квантовой теории струн в достоинство. Они изучили странные моды колебаний струн, которые напоминали частицы-переносчики. Свойства точным образом совпадали с предполагаемыми свойствами гипотетической частицы-переносчика гравитационного взаимодействия. Его называли гравитоном.
А вот по ссылочкам, все-таки, надо было пройти почитать… Несовместимость ОТО с квантовой механикой[ править ] Когда Эйнштейн в начале XX века разработал свою общую теорию относительности ОТО и уже полагал, что пришёл к успеху , другие физики показали ему большой кукиш , придумав квантовую механику. С самого начала Эйнштейн принял её в штыки хотя сам стоял у истоков, и, что важно, получил нобелевку именно за квантовое решение проблемы фотоэффекта — и, как впоследствии выяснилось, неспроста: оказалось, что ОТО и квантовая механика являются принципиально несовместимыми и считают друг друга за говно. При применении уравнений ОТО в больших масштабах то есть при описании жизни планет, звёзд, галактик, тебя всё нормуль — эксперименты полностью подтверждают правоту теории. В свою очередь, квантовая механика прекрасно работает в микроскопических масштабах, имея дело с элементарными частицами — тоже многократно доказано экспериментами. Но стоит попытаться применять обе замечательные теории одновременно для описания, например, взаимодействия элементарных частиц или того, что происходит в чёрных дырах, как они выдают взаимоисключающие результаты , и хуже того — полученные значения заведомо абсурдны. Вызвано это тем, что ОТО полагает структуру пространства-времени гладкой «пустой» , в то время как с точки зрения квантовой механики такой вещи, как «пустое пространство», не существует: в любом участке пространства в микроскопическом масштабе идёт активное действие — так называемые квантовые флуктуации. Кроме того, в ОТО пространство-время является полигоном для взаимодействующих тел см. Эта проблема попортила крови многим физикам в ХХ веке: с одной стороны, обе уважаемые теории вроде как верны, но с другой стороны, налицо классическая проблема ужа и ежа, преследующая физиков ещё с позапрошлого столетия. Некоторые личности делали вид, что всё так и должно быть , и каждая теория хороша в рамках границ своей применимости, а большего от них требовать и не нужно. Но других это как-то не устраивало.
Так и продолжалось некоторое время, пока всё-таки не нашлись достаточно упоротые кадры. Откуда струны суть пошли[ править ] Дело было примерно так Струны. Этот недотраханный мир Новый майндфак начался в 1968 году, когда физики ВНЕЗАПНО заметили, 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. Все кинулись проверять и перепроверять, и подтвердили — таки да, бета-функция Эйлера замечательно подходит для описания ситуации. Цимес был в том, что тащемта эта функция была исследована ещё в те времена, когда самого Эйнштейна и в проекте не было, и применялась барабанная дробь гитарный аккорд в описании колебаний натянутых струн. И тут физиков осенило, да так, что потомки до сих пор расхлёбывают: «А что, если элементарные частицы вовсе и не частицы, а микроскопические тончайшие струны, а то, что мы наблюдаем в своих приборах — это не траектория движения частицы, а траектория колебания, проходящего по этой струне? Сначала вроде как был достигнут полный вин. Первые же исследования показали, что теория струн достигает значительных успехов в описании наблюдаемых явлений. Оказалось, что теория струн замечательно может свести все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной к одному — колебанию одномерной струны с соответствующим переносом энергии. Особенно яростный флюродрос физиков на теорию струн вызвало то, что она позволяет объяснить основные константы микромира с математической точки зрения.
Становилось понятно, почему, например, массы элементарных частиц именно такие, какие есть, а не какие-то там другие. Если учёные раньше могли лишь разводить на подобного рода вопросы руками, отвечая: « Так надо », « ПНХ », или, в худшем случае, «Так хотел Б-г», то теперь появилась реальная возможность проникнуть в глубинную структуру Вселенной. Кроме того, теория струн давала надежду на чудо — объединение ОТО и квантовой механики в рамках одной теории. При расчётах ВНЕЗАПНО выяснилось, что собственные колебания этих ваших струн способны гасить и уравновешивать квантовые флуктуации — да-да, устранять те самые возмущения на микроскопическом уровне, из-за которых ОТО и квантовая механика никак не хотели возлюбить друг друга. Но в итоге учёных ждал былинный отказ. Дальнейшие исследования и проверки теории показали: авотхуй , ничего подобного. На первый взгляд вроде всё хорошо, но при глубоком изучении выявились серьёзные противоречия следствий теории с экспериментальными данными. Например, в теории струн обязательно присутствовала частица, тахион, квадрат массы которой был меньше нуля. Ну ты понел, да? У нее масса получалась мнимая.
Суперсимметрия, все дела[ править ] Ученые нашли в уравнениях теории хэш-коды. Однако упоротые фанаты теории струн так просто не собирались сдаваться. В 1971 году была создана обновлённая теория струн, уже под названием «теория суперструн». Обновление заключалось в том, что если первый вариант теории включал в себя описание только бозонов, то теория суперструн схавала ещё и фермионы. Тут нужно остановиться и уяснить подробнее. Демонстрация полуцелого спина на примере кофе Все элементарные частицы обладают такой характеристикой, как спин. Школьники могут вообразить это себе как скорость вращения частицы вокруг собственной оси подобно тому, как Земля вертится вокруг себя, сменяя день и ночь. Хотя на самом деле спин показывает как бы крутилась частица, если бы крутилась, причем по расчетам скорость ее оборота превышает световую и при всем прочем создает магнитное поле. Имеется и другой вариант объяснения сути спина «на пальцах», не менее, впрочем, майндфачный в итоге: спин — это количество оборотов вокруг своей оси, которые надо сделать частице, чтобы выглядеть так же, как вначале. И если для спинов в пределах единицы все вроде понятно любому предмету неправильной формы можно приписать «спин», равный единице , то при попытке представить себе форму объекта, который надо прокрутить вокруг оси дважды, чтобы он выглядел так же, как вначале, могут произойти необратимые изменения в коре головного мозга или замещающего органа.
Чтобы уменьшить градус майндфака, попробуйте повернуть на 360 градусов чашку кофе, стоящую на ладони. Получилось то же, с чего начали? Ощущения в руке вам подскажут, что не совсем то. А вот если… впрочем, гляньте-ка лучше видео. Бозонами называются те частицы, которые имеют целочисленный спин. Фермионы — те, у кого спин полуцелый. Так вот, первая версия теории струн описывала только бозоны, что было ещё одной из причин, по которым она до сих пор стоит на морозе. Обновлённый вариант теории струн включал в себя и фермионы, и тут все поняли, что при таком подходе проблема ненужных тахионов, как и множество других противоречий, исчезает! Но, как всегда, не обошлось без проблем. Новая теория струн не только заставила всех просветлиться, но и вбросила говна на вентилятор: по ней получалось, что для каждого бозона должен существовать соответствующий фермион, то есть между бозонами и фермионами должна существовать определённая симметрия.
Такой вид симметрии предсказывался и раньше — под названием «суперсимметрия». Фейл заключался в том, что никто и никогда не наблюдал эти самые суперсимметричные фермионы. Объяснение тому нашли простое: по расчётам, суперсимметричные фермионы должны обладать огромной для микромира массой, и потому в обычных условиях их хрен получишь. Для того, чтобы зарегистрировать их, нужны огромные энергии, которые достигаются при столкновении лёгких частиц на почти световых скоростях.
Теория систем со многими фазами и межфазовыми флуктуациями Этот круг проблем напрямую связан с предыдущими проблемами. В самом деле, системы со многими фазами и множественными случайными переходами из одной фазы в другую являются характерным примером систем с сильными по интенсивности взаимодействиями. Эти системы могут быть удовлетворительно описаны, если мы знаем или хотя бы догадываемся, как найти такую точку зрения, с которой она выглядит как слабовзаимодействующая.
Однако и тут изменение параметров системы снова может снова превратить слабо нелинейную систему в сильно нелинейную. Тогда необходимо искать новый подход в описании системы, возвращающий ее в исходное состояние. Такая смена подходов в описании и является основным содержанием учения о фазовых состояниях и фазовых переходах. Традиционные разделы физики, посвященные этому предмету, ограничиваются простейшими случаями, когда имеется мало различных фазовых состояний и переходы между ними представляются довольно отчетливыми. Однако, в последнее время все больший интерес представляют собой системы, в которых это далеко не так. Открыты физические системы, в которых число различных фаз неограничено и, более того, существенны процессы перехода одной фазы в другую. Понятно, что описание таких систем должно строиться из каких-то иных, нетрадиционных соображений.
Наиболее известные из таких систем — спиновые стекла системы хаотически ориентированных спинов и нейронные сети. Струнный подход к описанию таких систем основан на упомянутой выше переформулировке возникающей задачи в новых терминах, сглаживающих такие существенные различия между различными фазами и уравнениями, как число переменных, порядок и число уравнений и даже размерность пространства, в котором они записаны. Но тут сразу следует указать, что практического применения открывающихся в этом направлении возможностей пока дело не дошло. Изучение этих возможностей находится на начальной стадии развития. Объединение фундаментальных взаимодействий Эта проблема заслуживает отдельного рассмотрения, вследствие своей особой роли в естествознании. И тем более, ее нельзя обойти, поскольку создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий — самый амбициозный проект, связанный со струнами, у истоков которого стоял Альберт Эйнштейн. Фактически имеется целых два проекта, а не один, которые не исключают, а скорее дополняют друг друга.
Однако каждый из проектов имеет смысл и сам по себе. И если один из них в итоге будет признан несостоятельным, это не приведет к автоматическому закрытию второго. Первый сценарий, который можно считать наивным и прямолинейным приложением теории струн, приписывает струнам фундаментальную природу — элементарными следует считать не точечные частицы, а одномерные протяженные объекты. Примером может служить фотон, который в терминах теории струн представляется как замкнутая струна без натяжения нуль-струна. Отсутствие натяжения у нуль-струны соответствует отсутствию у фотона массы покоя. С точки зрения стандартной модели, активно используемой в современной физике элементарных частиц, это равносильно предположению о существовании бесконечно большого разнообразия частиц с упорядоченным определенным способом набором масс, спинами и структурой взаимодействия. Замечательно, что такая гипотеза не приводит не только к противоречиям с имеющимися экспериментальными данными.
Более того, это предположение позволяет улучшить теорию поля, поскольку оно устраняет некоторые противоречия, характерные для квантовой теории поля. Главным же недостатком такого подхода является отсутствие критерия выбора такой теории. Струнных моделей оказывается ни сколько не меньше, чем обычных и при этом, отсутствуют критерии, позволяющие отдать какой-либо из них предпочтение. С попыткой избавиться от такого модельного многообразия связан второй сценарий Великого Объединения. Суть его состоит в попытке отождествления квантовой теории поля и струнных моделей с каким-то объединением этих моделей. Другими словами, эти модели в рамках такого подхода отождествляются с различными фазами единой теории, в которые попадает система при определенных условиях.
Теория обновлялась , будто компьютерная игра, но множественные опыты, в том числе и в большом адронном коллайдере, пока не дали никаких значительных результатов. Теория суперструн и следующие за ней настолько сложны, что математики не могут помочь физикам в расчетах, а новые возможные эксперименты требуют гигантских, в прямом смысле слова вселенских, масштабов. Так что теперь подобные исследования потеряли былую популярность, но заняли определенную нишу и продвинули науку еще на маленький шажок к постижению истины мироздания.
Теория струн. Что это?
Ученые накопили достаточно статистики, чтобы успешно применять этот принцип. Удалось определить, что одни частицы, например, входящие в состав атома протоны и нейтроны имеют составную структуру, а электроны и многие другие частицы… не состоят из чего-либо меньшего размера, то есть на языке физики являются «бесструктурными». Состоять из ничего Что значит «не имеет структуры»? На этот вопрос Стандартная модель ответа не имеет и предпочитает сильно не задумываться. На самом деле есть всего два варианта: либо вещество можно бесконечно делить на мелкие составляющие что маловероятно , либо мы рано или поздно должны дойти до каких-то минимальных объектов, которые образуют все остальные. В качестве решения проблемы структуры частиц в середине прошлого века была предложена теория струн. В ней все частицы состоят из мельчайших «петель» — струн размером всего лишь 10-33 см. В настоящий момент указаний на существование струн получено не было, но это легко объяснить: современные технические возможности просто не позволяют исследовать столь малые объекты. Что, собственно, физики уже давно и с успехом наблюдают. Как по нотам Петли, составляющие частицы, не просто парят в пространстве.
В теории струн они колеблются, причем множеством различных способов. В игре на гитаре в зависимости от толщины и длины струны последнюю мы регулируем, зажимая пальцами музыкант воспроизводит разные ноты.
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. 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. Большинство специалистов по физике элементарных частиц полагали, что теория струн навсегда отправлена в мусорный ящик, однако ряд исследователей сохранили ей верность. Шварц, например, ощущал, что «математическая структура теории струн столь прекрасна и имеет столько поразительных свойств, что, несомненно, должна указывать на что-то более глубокое». Некоторые конфигурации колеблющихся струн в этой теории имели свойства, которые напоминали свойства глюонов, что давало основание действительно считать её теорией сильного взаимодействия. Однако помимо этого в ней содержались дополнительные частицы-переносчики взаимодействия, не имевшие никакого отношения к экспериментальным проявлениям сильного взаимодействия. В 1974 г.
Шварц и Джоэль Шерк из французской Высшей технической школы сделали смелое предположение, которое превратило этот кажущийся недостаток в достоинство. Изучив странные моды колебаний струн, напоминающие частицы-переносчики, они поняли, что эти свойства удивительно точно совпадают с предполагаемыми свойствами гипотетической частицы-переносчика гравитационного взаимодействия — гравитона. Хотя эти «мельчайшие частицы» гравитационного взаимодействия до сих пор так и не удалось обнаружить, теоретики могут уверенно предсказать некоторые фундаментальные свойства, которыми должны обладать эти частицы. Шерк и Шварц обнаружили, что эти характеристики в точности реализуются для некоторых мод колебаний. Основываясь на этом, они предположили, что первое пришествие теории струн закончилось неудачей из-за того, что физики чрезмерно сузили область её применения. Шерк и Шварц объявили, что теория струн — это не просто теория сильного взаимодействия, это квантовая теория, которая, помимо всего прочего, включает гравитацию.
В действительности, по воспоминаниям Шварца, «наша работа была проигнорирована всеми».
Понимаем, что вам хочется сразу получить формулировку и пойти дальше. Именно с этим запросом приходят большинство читателей, набравших в поисковике запрос: «теория струн попроще». Но, к сожалению, это довольно сложная концепция физиков-теоретиков и математиков, которую они и сами не понимают в полной мере. Одним предложением тут точно не отделаться. Разве что объяснить вам, что многообразные элементарные частицы, из которых состоит наш мир, на самом деле не точки или шарики, а тончайшие струны, колеблющиеся на разных частотах. Но это слишком упрощенно, поэтому будем рассказывать так, как полагается каналу «Наука». Приготовьте вашу голову!
История озарения В 1960-е годы молодой итальянец Габриеле Венециано, работающий физиком-теоретиком в ЦЕРН в Женеве, искал способ объяснить сильное ядерное взаимодействие андронов тогда об андронах знали гораздо меньше, ведь Большой адронный коллайдер еще не изобрели. В какой-то момент случилось озарение: ученый вдруг понял, что для объяснения наблюдаемых процессов подходит так называемая бета-функция — математическая формула, придуманная еще в 1730 году Леонардом Эйлером, швейцарским математиком, который полжизни прожил в России. Вскоре обнаружилось, что эта формула позволяет описать огромное количество данных, накопленных при изучении особенностей сильного взаимодействия. Это был лишь первый кусочек пазла, который еще предстояло сложить другим. Физики Йохиро Намбу, Холгер Нильсен и Леонард Сасскинд размышляли: почему старинная формула так легко подошла и какой физический смысл таится в этой сложной математике? К 1970 году им стало ясно, что сильное взаимодействие элементарных частиц превосходно описывается с помощью бета-функции Эйлера, если представлять их в виде крошечных колеблющихся одномерных струн. Эти невидимые человеческому глазу нити ученые воображали как замкнутые — в виде колец — и как открытые.
Начинаем считать — офигеть, не получается, слишком сложная математика. Тут мы вспоминаем о зеркальной симметрии и говорим себе: «Стоп! Мы же можем заменить одно пространство на другое, ведь физика, как известно, будет той же самой». Мы так поступаем, и оказывается, что в зеркально-симметричной ситуации тот же эксперимент описывается много проще и мы все можем посчитать. И что, есть примеры, когда эта схема работает? И таких примеров множество. Другое дело, что мы пока точно не знаем, каким параметрам соответствует именно наша Вселенная. Вот в чем проблема. А как устроены эти симметрии, которые дают в результате два пространства? Исходное и зеркальное пространство связаны через подходящий орбифолд — грубо говоря, фактор многообразия по дискретной группе изометрий. А сама симметрия — это, конечно, просто действие Z2. Никаких континуальных симметрий, только дискретные. Вы говорите очень интересные вещи о математике. На первый взгляд математические утверждения можно получать только с помощью самой математики. А вы говорите, что можно что-то узнать с помощью эксперимента... Ну это относится даже не к теории струн, а ко всей физике элементарных частиц. То есть прямо так: строгие математические утверждения можно получать экспериментально? Не понимаю, что вас смущает. Вот есть теория относительности Эйнштейна — математическая теория. Если наблюдать за движениями космических объектов, то можно много что узнать о геодезических свойствах самой метрики, которая фигурирует в уравнении Эйнштейна в поле тяжести массивного тела объекты малой массы движутся по геодезическим — кривым, являющимся решением подходящей системы дифференциальных уравнений — прим. Строгие математические факты. Так же и в теории элементарных частиц. Вы правы. А приведите примеры, какие факты удается узнать таким образом про компактифицированные пространства? Есть важный геометрический вопрос, касающийся этих компактифицированных пространств — сколькими вариантами в эти пространства можно вложить сферы. Речь здесь идет про вложение голоморфным образом — но это детали, они в данном случае не имеют значения. До вмешательства физиков математики могли ответить на этот вопрос только в случае, когда число вращения — то есть то, сколько раз такая сфера обмотана вокруг себя самой, — достаточно мало. Один, два или три. Для чисел больше ничего известно не было. В теории струн оказалось, что эти числа связаны с амплитудами рассеивания. То есть для их подсчета достаточно было провести опыт, сделать преобразование Фурье, и первые, точно посчитанные коэффициенты в полученном ряду давали ровно то, что было нужно. Нужно больше коэффициентов? Просто проводим дополнительные эксперименты — и все. Сначала математики не поверили, конечно: мол, как так — мы бились, у нас ничего не получалось, а тут какой-то эксперимент и все? Но потом, поглядев на эти числа достаточно долго, они вдохновились и придумали, как решить задачу уже для произвольных чисел вращения. Теория струн не единственная претендует на звание теории всего. Расскажите про ее основных конкурентов. Пожалуй, лучше всего развита петлевая квантовая гравитация. Чтобы понять основную идею, нужно сделать шаг назад. Необходимо понимать, что изначально физики пытались применить к уравнениям теории относительности стандартный подход квантовой механики, то есть проквантовать их так же, как, например, электромагнитное взаимодействие. Из этого ничего не получилось. Если обратиться к теории струн, то «квантованная» в некотором смысле гравитация там появляется сама собой. Она оказывается следствием фундаментальных свойств самой теории, нам не приходится насильно склеивать теорию относительности и квантовую механику. Петлевая же гравитация занимается именно этим, то есть пытается склеить ТО и квантовую механику. Для этого уравнения Эйнштейна переписываются совсем в другом но эквивалентном исходному, это важно виде, в совершенно других переменных. При этом оказывается, что в таком виде уравнения уже поддаются квантованию, пусть и не совсем классическому. Полученные при этом квантовые переменные могут пониматься как петли — отсюда и название. Насколько эти петли связаны с нашими струнами и связаны ли вообще все-таки звучит похоже , мы пока не знаем. Петлевая гравитация, конечно, менее экзотична, чем теория струн. В ней не требуются дополнительные измерения, не нужна суперсимметрия. То есть их можно добавить, но сами по себе они не возникают. Тут, однако, возникает тонкий момент — уверен, что специалисты по петлевой квантовой гравитации со мной не согласятся. Смотрите, стандартная Ньютонова механика получается как предел квантовой при устремлении к нулю некоторого параметра. Традиционно считается, что квантование — это обратный процесс, то есть построение теории, зависящей от параметра, которая, при стремлении этого параметра к нулю, дает нам доквантовую теорию. Так вот, на самом деле не очень понятно, получаются ли из петлевой квантовой гравитации обычная квантовая механика и теория относительности при переходе к некоторому пределу? Специалисты по этой теории считают, что получается и никакой проблемы тут нет. И возможно, они правы, а я нет — все-таки я не разбираюсь в деталях теории так, как они. Но издалека лично мне кажется, что там все не очень корректно. А есть какие-то предсказания петлевой гравитации, которые отличались бы от предсказаний теории струн? Желательно, чтобы эти предсказания еще и можно было проверить. Я думаю, если бы перед вами сидел специалист по петлевой квантовой гравитации, ответ был бы иным. Я ни в коем случае не утверждаю, что кто-то там нечестен, просто речь идет скорее о том, что у людей есть разные воззрения на то, что считать предсказанием и что считать фальсифицируемостью конкретной теории. Как бы то ни было, но я смею утверждать, что ни у кого из этих специалистов нет утверждения такого уровня: если не выполнено некоторое X, то вся теория не верна. Я никогда не слышал от них такого утверждения и думаю, они не могут его сделать. Мы, правда, тоже не можем ничего такого заявить на данном уровне развития технологии — в этом смысле мы с ними в равных условиях. Есть ли какие-нибудь еще теории?
Теория струн простыми словами
Ученые написал уравнения, описывающие кривые и дефекты вселенной с дополнительным измерением, и получил оригинальное уравнение электромагнетизма. Удивительное открытие. Дополнительные измерения теории струн могут нам помочь объяснить, почему числа в нашей Вселенной настолько выверены, что позволяют всему существовать. Например, почему скорость света 299 792 458 метров в секунду? Они также пытаются ответить на вопрос о гравитации — почему эта сила настолько слабая? Она самая слабая из четырех фундаментальных взаимодействий: в 1040 раз слабее электромагнитной силы. Достаточно будет просто наклониться и поднять книгу с пола, чтобы противодействовать ей. Теоретически это происходит потому, что гравитация просачивается в более высокие измерения.
Гравитация состоит из нитей с замкнутым контуром, что позволяет ей покидать наше измерение, в отличие от разомкнутых нитей, которые лучше заземлены. Почему мы не видим всех этих измерений? Потому что они существуют на таком малом уровне, что невидимы для нас, не поддаются обнаружению. Они компактные, укомплектованные таким образом, что воспроизводят физику нашего мира, складываясь в интересные формы Калаби-Яу. Различные формы Калаби-Яу позволяют существовать различным вибрациям струн и совершенно разным вселенным.
И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Каково же было изумление этих двоих, уже привыкших к тому, что их теорию пропускают мимо ушей, когда реакция ученого сообщества взорвала научный мир. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек. Именно тогда теорию струн наградили титулом теории всего. Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания. И вот эти составляющие. Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц - электронов, которые кружатся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц - кварков. Но теория струн утверждает, что на кварках дело не заканчивается. Кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны. Каждая из таких струн невообразимо мала. Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров солнечной системы, струна была бы размером с дерево. Так же, как различные колебания струны виолончели создают то, что мы слышим, как разные музыкальные ноты, различные способы моды вибрации струны придают частицам их уникальные свойства - массу, заряд и прочее. Знаете, чем, условно говоря, отличаются протоны в кончике вашего ногтя от пока не открытого гравитона? Только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются. Конечно, все это более чем удивительно. Еще со времен древней Греции физики привыкли к тому, что все в этом мире состоит из чего-то вроде шаров, крошечных частиц. И вот, не успев привыкнуть к алогичному поведению этих шаров, вытекающему из квантовой механики, им предлагается вовсе оставить парадигму и оперировать какими-то обрезками спагетти. Как устроен мир. Науке сегодня известен набор чисел, которые являются фундаментальными постоянными вселенной. Именно они свойства и характеристики всего вокруг нас определяют. Среди таких констант, например, заряд электрона, гравитационная постоянная, скорость света в вакууме. И если мы изменим эти числа даже в незначительное число раз - последствия будут катастрофическими. Предположим, мы увеличили силу электромагнитного взаимодействия. Что же произошло? Мы можем вдруг обнаружить, что ионы стали сильнее отталкиваться друг от друга, и термоядерный синтез, который заставляет звезды светить и излучать тепло, вдруг дал сбой. Все звезды погаснут. Но причем здесь теория струн с ее дополнительными измерениями? Дело в том, что, согласно ей, именно дополнительные измерения определяют точное значение фундаментальных констант. Одни формы измерений заставляют одну струну вибрировать определенным образом, и порождают то, что мы видим, как фотон. В других формах струны вибрируют по-другому, и порождают электрон. Воистину бог кроется в "Мелочах" - именно эти крошечные формы определяют все основополагающие константы этого мира. Теория суперструн. В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. Всего за несколько лет возникло целых пять версий теории струн. И хотя каждая из них построена на струнах и дополнительных измерениях все пять версий объединены в общую теорию суперструн - NS , в деталях эти версии расходились значительно. Так, в одних версиях струны имели открытые концы, в других - напоминали кольца. А в некоторых вариантах теория даже требовала не 10, а целых 26 измерений. Парадокс в том, что все пять версий на сегодняшний день можно назвать одинаково верными. Но какая из них действительно описывает нашу вселенную? Это очередная загадка теории струн. Именно поэтому многие физики снова рукой на "Сумасбродную" теорию махнули. Но самая главная проблема струн, как уже было сказано, в невозможности по крайней мере, пока доказать их наличие экспериментальным путем. Некоторые ученые, однако, все же поговаривают, что на следующем поколении ускорителей есть очень минимальная, но все же возможность проверить гипотезу о дополнительных измерениях. Хотя большинство, конечно, уверено, что если это и возможно, то произойти это, увы, должно еще очень нескоро - как минимум через десятилетия, как максимум - даже через сотню лет. Теория семи струн кратко и понятно. 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.
Вместо этого, предлагается рассматривать их как крошечные, струноподобные вибрирующие нити. При более детальном рассмотрении, говорит теория, вы увидите, что струны в частицах разного типа неразличимы, но вибрируют они по-разному. Электрон менее массивен чем кварк, и согласно теории струн, это означает, что струна электрона вибрирует менее энергично, чем струна кварка. Различные свойства частиц объясняются разным вибрационным поведением нитей в теории струн, подобно тому как разные вибрации гитарных струн порождают звучание разных музыкальных нот. По причине бесконечно малого размера струны, порядка планковской длины — 10-33 сантиметра, даже самые точные современные эксперименты не могут подтвердить или опровергнуть протяжённую структуру струны. БАК, на котором частицы сталкиваются друг с другом при энергиях, превышающих в 10 триллионов раз энергию покоящегося протона, может добраться до расстояний примерно 10-19 сантиметра; это миллионная от миллиардной доли толщины волоса, но всё же оно слишком велико, на много порядков больше планковских расстояний. Поэтому струны выглядят как точки, даже если их изучать на самых мощных в мире ускорителях частиц. Тем не менее, согласно теории струн, частицы являются струнами. В этом, в двух словах, и заключается теория струн. Струны, точки и квантовая гравитация Следует подчеркнуть три особо важных момента. Во-первых, когда учёные физики предлагают модель описания природы с помощью квантовой теории поля, они также выбирают поля, которые войдут в теорию. Этот выбор диктуется экспериментальными ограничениями, а также теоретическими предпосылками. Главным примером является Стандартная модель. Рассматриваемая как венец достижений физики частиц XX столетия благодаря своей способности правильно описывать большое количество данных, собранных на ускорителях частиц по всему миру, Стандартная модель является квантовой теорией поля. Стандартная модель, безусловно, крайне успешна, но многие физики полагают, что по-настоящему фундаментальное понимание не требует такого разношёрстного набора ингредиентов. Впечатляющее свойство теории струн состоит в том, что частицы определяются самой теорией: разные типы частиц соответствуют разному вибрационному поведению струны. Тогда потенциал и перспективы теории струн заключаются в том, чтобы превзойти квантовую теорию поля путём получения всех свойств частиц математически. Теория струн строится непоследовательными приближениями к полному описанию природы. Она предлагает полное описание с самого начала. Во-вторых, среди возможных вибраций струны есть одна, обладающая всеми нужными свойствами для того, чтобы быть квантовой частицей гравитационного поля. Исследования выявили свойства, которыми будет обладать гипотетическая частица — получившая название гравитон, — соответствующая квантовому гравитационному полю. Было показано, что гравитон должен быть безмассовым, не иметь заряда и обладать квантовомеханическим свойством, известным как спин-2. В-третьих, как бы ни была радикальна теория струн, она идёт по протоптанному пути, известному в истории физики. Специальная теория относительности расширяет наше понимание мира высоких скоростей; общая теория относительности идёт дальше и учитывает большие массы; квантовая механика и квантовая теория поля вводят нас в мир малых расстояний. Понятия, привлекаемые этими теориями, и предсказываемые ими свойства непохожи ни на что известное ранее. Более того, если применять эти теории в привычных рамках доступных нам скоростей, размеров и масс, они сведутся к описаниям, открытым до XX столетия — к классической механике Ньютона и классическим полям Фарадея, Максвелла и других. Теория струн могла бы претендовать на существенный отрыв от своих предшественников и отступить от нарисованной схемы ниже. Замечательно, что этого не происходит. Теория струн достаточно революционна для преодоления барьеров физики двадцатого столетия. При этом она достаточно консервативна, чтобы прошедшие три столетия открытий смогли уютно разместиться в её математическом аппарате. Пространственные измерения В первые годы исследований по теории струн физики столкнулись с фатальными математическими изъянами, например, спонтанное возникновение или исчезновение энергии. В 1970-х многие думали, что от теории струн необходимо отказаться. Но некоторые исследователи упорно придерживались другой точки зрения. В результате сложных исследований было выяснено, что проблемные свойства тесно связаны с числом пространственных измерений. В уравнениях теории струн нет изъянов во вселенной с девятью пространственными измерениями и одним временным, что в совокупности составляет десять измерений. Автор книги подмечает, что без технических подробностей будет тяжело или даже невозможно по крайней мере, для него объяснить, как это происходит. Так что здесь он дает некую техническую наводку. В теории струн есть одно уравнение, в котором присутствует вклад вида D - 10 умножить на проблему , где D — это число пространственно-временных измерений, а проблема — это некое математическое выражение, приводящее к проблемному физическому явлению, подобному ранее упомянутому нарушению закона сохранения энергии. Автор не может предложить никакого интуитивного, нетехнического объяснения, почему уравнение имеет именно этот вид. Но в вычислениях возникает именно оно. Простое, но ключевое наблюдение состоит в том, что, если число измерений равно десяти, а не четырём, как можно было бы ожидать, вклад в уравнение становится 0 умножить на проблему. Поскольку умножение на ноль всегда даёт ноль, во вселенной с десятью пространственно-временными измерениями проблема исчезает. Именно поэтому физики, занимающиеся теорией струн, рассматривают вселенную, в которой более четырёх пространственно-временных измерений. В начале XX столетия в нескольких статьях математика Калуцы и физика Клейна было высказано предположение о существовании измерений, легко ускользающих от обнаружения. Они предсказывали, что в отличие от привычных пространственных измерений, простирающихся на большие или даже бесконечные расстояния, могут существовать дополнительные измерения, настолько малые и скрученные, что их очень трудно увидеть. На рисунке поверхность высокой трубочки имеет два измерения; длинное вертикальное измерение легко увидеть, а малое круговое измерение обнаружить труднее. Из предложения Калуцы—Клейна следует, что похожее различие между одними измерениями, большими и легко видимыми, и другими, малыми и слабо различимыми, может иметь место и для структуры самого пространства. Причина, по которой мы всё знаем о привычных трёх пространственных измерениях, может быть в том, что их протяжённость велика может даже бесконечны. Однако если дополнительное пространственное измерение скручено и имеет чрезвычайно малый размер, то оно совершенно равноправно обычным нескрученным измерениям и при этом остаётся невидимым даже для самого мощного современного увеличивающего оборудования. Так начиналась теория Калуцы—Клейна, гипотеза о том, что наша Вселенная имеет больше трёх пространственных измерений. Если вернуться в 1920-е годы, откуда вообще возникла такая экзотическая идея? Калуца заинтересовался этим, потому что вскоре после публикации Эйнштейном общей теории относительности ему на ум пришла одна идея. Он обнаружил, что может модифицировать уравнения Эйнштейна и применить их ко вселенной с одним дополнительным пространственным измерением. Результат изучения модифицированных уравнений оказался захватывающим. Среди модифицированных уравнений Калуца обнаружил уравнения, уже применённые Эйнштейном для описания гравитации в трёх пространственных и одном временном измерениях. Но поскольку новая формулировка включала одно дополнительное пространственное измерение, Калуца обнаружил дополнительное уравнение.
Некоторые улицы имеют тот или иной тип, поэтому правила довольно просты. Однако другие улицы подходят под определение обоих типов, так какие правила применяются к ним? Как и наличие двух совершенно разных правил дорожного движения, невозможность объединить квантовую механику и теорию относительности создает хаос при попытке понять нашу вселенную. Интересно, что существует несколько потенциальных теорий, объединяющих два столпа физики, самой известной из которых является теория струн. Мир согласно теории струн Согласно теории струн, если бы мы заглянули внутрь любой фундаментальной частицы, например, такой как электрон, мы бы обнаружили там крошечную вибрирующую струну энергии одномерный объект. В теории струн фундаментальные частицы можно рассматривать как энергетические колебания. Рисунок, изображающий теорию струн. Более того, теория струн предсказывает существование одиннадцати измерений.
Теория струн кратко и понятно
В двумерном пространстве можно двигаться как вверх-вниз, так и вперед-назад, даже по диагонали. Представьте себе любую игру-платформер, как, например, Mario, и вспомните, в каких направлениях вы могли там двигаться. В одномерном же пространстве мы можем двигаться только вперед или назад. Со временем все то же самое.
Отличие одномерного времени от одномерного пространства лишь в том, что это луч, а не отрезок. И движется он только вперед, а значит назад во времени мы идти не можем. А что с двумерным временем?
Не знаю, может вы можете представить, каково это, пересекать время по диагонали? Струны Если вы до сих пор это читаете, то наверняка уже много раз задавались вопросом, когда уже будет что-нибудь про струны. Хоть мое объяснение и для чайников, это все же объяснение.
Просто рассказать, что такое струны, было бы неправильно, да и теория в основном базируется именно на измерениях. И, чтобы наконец добраться до струн, нам придется хотя бы попытаться представить эти измерения. О первых четырех вы уже имеете представление.
Грубо говоря, первые три измерения, это некая точка в четвертом. А точка, как известно, измерений не имеет. То есть с точки зрения времени, вы и весь сегодняшний день — лишь точка на временном луче.
Что есть пятое измерение? Аналогично тому, как мы сворачиваем условно двумерный лист бумаги, чтобы придать ему объем то есть третье измерение , нам придется «согнуть» четвертое, чтобы получить пятое. Да, нам нужно согнуть время, а вместе с ним, естественно и наше трехмерное пространство, ведь одно без другого никуда.
Делаем мы это для того, чтобы свести две временные точки вместе. Путешествие во времени, скажете вы — пятое измерение, отвечу я. По сути мы просто помещаем наше одномерное время на двумерную временную плоскость.
Таким образом у нас получается два отрезка в пятом измерении, в которых живет наш избранный Нео. Об этом мы и говорили чуть выше, описывая двумерное время. Но как же нам перемещаться между этими отрезками, если мы живем в них одновременно?
В пяти измерениях никак. Нужно снова согнуть нашу бумагу, чтобы отрезки соприкоснулись. Это шестое измерение.
При этом все пять предыдущих измерений снова становятся лишь точкой в шестом. Если у вас еще не болит голова, идем дальше. Мы уже близко.
Возьмем несколько точек, существующих в шести измерениях, и сделаем из них прямую. Как вы уже догадались, это седьмое. По сути седьмое измерение — это набор параллельных Вселенных.
Все они живут по разным законам, во всех их жизнь происходит по-разному. И та сущность, которая способна жить в семи измерениях, может существовать одновременно во всем этом многообразии миров. Отобразим семимерную прямую на плоскости, получим восьмое измерение.
А девятое содержит несколько таких плоскостей. Вот вы уже представили, какая вакханалия существует в семи измерениях. Теперь вообразите, что будет если такой мир, в котором множество миров, тоже не один.
Это восьмое. А теперь возьмем всю эту матрешку, помножим бесконечность раз и получим девятое. А теперь вообразите себе нечто, что существует во всех девяти измерениях одновременно.
То есть девятимерные точки собираются в прямую, которая находится на какой-то плоскости — десятом измерении. И такие точки, состоящие из девяти измерений, образуют бесконечно длинную прямую, на бесконечно длинной плоскости. Эти линии тянутся в каждой точке пространства, в каждый момент времени во всех мирах.
Субатомный уровень — электрон 5. Субатомный уровень — кварки 6. Ramos В Общей теории относительности, словно в государстве с противоположными законами, дело обстоит принципиально иначе. Пространство представляется похожим на батут — гладкую ткань, которую могут изгибать и растягивать объекты, обладающие массой. Они создают деформации пространства-времени — то, что мы ощущаем как гравитацию. Стоит ли говорить, что стройная, правильная и предсказуемая Общая теория относительности находится в неразрешимом конфликте с «взбалмошной хулиганкой» — квантовой механикой, и, как следствие, макромир не может «помириться» с микромиром. Вот тут на помощь и приходит теория струн. Многие ученые уверены, что всё, от изысканного танца галактик до безумной пляски субатомных частиц, может в итоге объясняться всего одним фундаментальным физическим принципом. Может быть — даже единым законом, который объединяет все виды энергии, частиц и взаимодействий в какой-нибудь элегантной формуле. ОТО описывает одну из самых известных сил Вселенной — гравитацию.
Квантовая механика описывает три других силы: сильное ядерное взаимодействие, которое склеивает протоны и нейтроны в атомах, электромагнетизм и слабое взаимодействие, которое участвует в радиоактивном распаде. Любое событие в мироздании, от ионизации атома до рождения звезды, описывается взаимодействиями материи посредством этих четырех сил. С помощью сложнейшей математики удалось показать, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют общую природу, объединив их в единое электрослабое. Впоследствии к ним добавилось и сильное ядерное взаимодействие — но вот гравитация к ним не присоединяется никак. Теория струн — одна из самых серьезных кандидаток на то, чтобы соединить все четыре силы, а, значит, объять все явления во Вселенной — недаром ее еще называют «Теорией Всего». Вначале был миф До сих пор далеко не все физики пребывают в восторге от теории струн. А на заре ее появления она и вовсе казалась бесконечно далекой от реальности. Само ее рождение — легенда. Согласно легенде, как-то он случайно наткнулся на пыльную книгу по истории математики, в которой нашел функцию двухсотлетней давности, впервые записанную швейцарским математиком Леонардом Эйлером. Каково же было удивление Венециано, когда он обнаружил, что функция Эйлера, которую долгое время считали не чем иным, как математической диковинкой, описывает это сильное взаимодействие.
Как же было на самом деле? Формула, вероятно, стала результатом долгих лет работы Венециано, а случай лишь помог сделать первый шаг к открытию теории струн. Функция Эйлера, чудесным образом объяснившая сильное взаимодействие, обрела новую жизнь. Эти частицы вели себя так, что не могли быть просто точечными частицами. Сасскинд понял — формула описывает нить, которая подобна упругой резинке. Она могла не только растягиваться и сжиматься, но и колебаться, извиваться. Описав свое открытие, Сасскинд представил революционную идею струн. К сожалению, подавляющее большинство его коллег встретили теорию весьма прохладно. Стандартная модель В то время общепринятая наука представляла частицы точками, а не струнами. В течение многих лет физики исследовали поведение субатомных частиц, сталкивая их на высоких скоростях и изучая последствия этих столкновений.
Выяснилось, что Вселенная намного богаче, чем это можно было себе представить. Это был настоящий «демографический взрыв» элементарных частиц. Аспиранты физических вузов бегали по коридорам с криками, что открыли новую частицу, — не хватало даже букв для их обозначения. Но, увы, в «родильном доме» новых частиц ученые так и не смогли отыскать ответ на вопрос — зачем их так много и откуда они берутся? Это подтолкнуло физиков к необычному и потрясающему предсказанию — они поняли, что силы, действующие в природе, также можно объяснить с помощью частиц. То есть существуют частицы материи, а есть частицы-переносчики взаимодействий. Таковым, например, является фотон — частица света. Ученые предсказывали, что именно этот обмен частицами-переносчиками — есть не что иное, как то, что мы воспринимаем как силу. Это подтвердилось экспериментами. Так физикам удалось приблизиться к мечте Эйнштейна по объединению сил.
А если вернуться во времени еще дальше, то электрослабое взаимодействие соединилось бы с сильным в одну суммарную «суперсилу». Несмотря на то, что все это еще ждет своих доказательств, квантовая механика вдруг объяснила, как три из четырех сил взаимодействуют на субатомном уровне. Причем объяснила красиво и непротиворечиво.
Немного тренировок — и только по тому, куда отлетает шарик, вы скажете, что именно за предмет сейчас подвергается бомбардировке, даже если не будете на него смотреть. Ученые накопили достаточно статистики, чтобы успешно применять этот принцип. Удалось определить, что одни частицы, например, входящие в состав атома протоны и нейтроны имеют составную структуру, а электроны и многие другие частицы… не состоят из чего-либо меньшего размера, то есть на языке физики являются «бесструктурными». Состоять из ничего Что значит «не имеет структуры»? На этот вопрос Стандартная модель ответа не имеет и предпочитает сильно не задумываться. На самом деле есть всего два варианта: либо вещество можно бесконечно делить на мелкие составляющие что маловероятно , либо мы рано или поздно должны дойти до каких-то минимальных объектов, которые образуют все остальные. В качестве решения проблемы структуры частиц в середине прошлого века была предложена теория струн.
В ней все частицы состоят из мельчайших «петель» — струн размером всего лишь 10-33 см. В настоящий момент указаний на существование струн получено не было, но это легко объяснить: современные технические возможности просто не позволяют исследовать столь малые объекты. Что, собственно, физики уже давно и с успехом наблюдают. Как по нотам Петли, составляющие частицы, не просто парят в пространстве. В теории струн они колеблются, причем множеством различных способов.
Причина в том, что они описывают лишь низкоэнергетическое приближение к действительно фундаментальной теории. В структуре Стандартной модели элементарных частиц имеются указания на её происхождение из более фундаментальной теории при высоких энергиях. Теория струн предоставляет развитую технику для формулировки и изучения подобных гипотез. Простейшие модели теории плохо описываются пертурбативными методами, а непертурбативные пока недостаточно развиты. Выход из положения состоит в использовании моделей с суперсимметрией. Пять простейших моделей суперструн оказались связаны простыми дуальностями друг с другом и с простейшей моделью мембран, т. Главным препятствием для использования этой теории в качестве обобщения Стандартной модели элементарных частиц является то, что она 10- или 11-мерна, а число 4-мерных фаз, полученных компактификацией лишних пространственных измерений, велико.
Теория струн и квантовая механика
одно из направлений теоретической физики (можно сказать - физики элементарных частиц). Теория струн кратко и понятно. Теория струн кратко и понятно. Видео от пользователя. 20–минутное видео о теории струн. Про эту теорию впервые прочитал в журнале "Юный техник" ещё в школе. Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений. Важнейшее значение теории струн для физиков, если излагать кратко: она претендует на роль «теории всего», то есть может объединить в одно целое все физические аспекты существования Вселенной.
Теория струн. Теория всего
Теория струн, тем не менее, дает первое фундаментальное обоснование давно открытого свойства чёрных дыр, невозможность объяснения которого многие годы тормозила исследования физиков, работавших с традиционными теориями. Теория струн гласит, что неделимые субатомные частицы состоят из крошечных маленьких струн, вибрирующих по определенной схеме. Теория струн — это теория о том, что фундаментальными составляющими Вселенной являются одномерные "струны", а не точечные частицы (как это принято наукой). Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений. Теория струн, пожалуй, самая спорная большая идея во всей сегодняшней науке – Самые лучшие и интересные новости по теме: Атом, бозон Хиггса, квантовая физика на развлекательном портале Если традиционно физики пытались обосновать теорию струн с помощью квантовой мезаники, Барс и Рычков исходили из того, что теория струн верна, и, исходя из постулатов этой теории, вывели принцип неопределенности.