Теория струн вселенной кратко

Теория струн

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.

1. Теория струн тип I: включает открытые и замкнутые струны; содержит форму симметрии, которая математически является группой симметрии O (32).
2. 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.
3. 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).
4. 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.
5. 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.

Источник

Что такое теория струн? Простой обзор

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.

Источник

Коротко о теории струн – все о космосе

Теория струн — кратко и понятно

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

Надобность

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

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

Суть

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

“Вопрос науки”: Гравитационные волны существуют?

Проблемы и особенности

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

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

Развитие

Существует два типа частиц: фермионы — частицы вещества, и бозоны – переносчики взаимодействия.

К примеру, фотон является бозоном, переносящим электромагнитное взаимодействие, гравитон – гравитационное, или тот же бозон Хиггса, распространяющий взаимодействие с полем Хиггса.

Так вот если теория струн учитывала лишь бозоны, то теория суперструн также учла и фермионы, что позволило избавиться от тахионов.

Ученые нашли источник, из которого могли пить Адам и Ева

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

На этом, пожалуй, можно и закончить. Работы по решению проблем и доработки имеющейся математической модели усердно ведутся физиками-теоретиками разных стран мира.

Возможно, вскоре мы наконец-то сможем понять структуру окружающего нас мира, однако оглядываясь на объем и сложность вышесказанного, очевидно, что полученное описание мира не будет понятно без определенной базы знаний в области физики и математики.

Теория струн



Категория: Интересно

• admin
• 22 771
• Комментариев: 2

• +5

Теория струн объясняет все физические процессы. Например, как появилась Вселенная, из чего состоят вещи. Но эту теорию нельзя доказать на практике.Современная физика покоится на двух столпах.

Первый из них – это общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Она объясняет, как устроены звезды, галактики и Вселенная. Квантовая механика – это второй столп. Эта теория объясняет, как устроен микромир: молекулы, атомы, электроны, кварки (простейшие неделимые частицы). Обе теории подтверждены опытами.

Но общая теория относительности и квантовая механика , не могут быть справедливы одновременно. Согласно теории Эйнштейна, пространство является плоским.Такая структура пространства сохраняется даже в самом малом масштабе.

Однако, согласно квантовой механике, на микроскопическом уровне постоянно происходит хаотичное движение частиц, которое искривляет пространство (представьте себе поверхность воды, которая начинает бурлить). Причем чем меньше масштаб, тем интенсивнее движения (квантовые флуктуации).

То есть квантовая механика противоречит теории относительности. Эту проблему решили во второй половине XX века физики-теоретики. Они разработали единую теорию, с помощью которой можно было бы объяснить все физические процессы.

В 1968 году молодой итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано пытался описать, как взаимодействуют между собой частицы атомного ядра: протоны и нейтроны. У ученого появилась блестящая догадка. Он понял, что все многочисленные свойства частиц в атоме может описать одна математическая формула (бета-функция Эйлера).

Она была придумана двести лет назад швейцарским математиком Леонардом Эйлером и описывала интегралы в математическом анализе. Венециано использовал ее в своих расчетах, но не понимал, почему она работает в этой области физики. Физический смысл формулы смогли раскрыть в 1970 году американские ученые Йоиширо Намбу, Леонард Сасскинд, а также их датский коллега Хольгер Нильсен.

Они предположили, что элементарные частицы – маленькие колеблющиеся одномерные струны, микроскопические нити энергии. Если эти струны являются такими крохотными, рассуждали исследователи, то они по-прежнему будут выглядеть как точечные частицы и, следовательно, не будут влиять на результаты экспериментов. Так и появилась теория струн.Струны – это самые маленькие объекты во Вселенной.

35 м. Согласно теории струн, это минимальная длина, которую может иметь объект во Вселенной. Струны настолько малы, что даже если их можно было бы увидеть с помощью самого мощного ускорителя частиц, то они выглядели бы точечными объектами. Если кварк можно представить себе как крохотный шарик, то струна напоминает крохотную тонкую ниточку.

Поделив точечные кварки на струны, физики устранили противоречие между квантовой механикой и теорией относительности. По свойствам струна напоминает струну скрипки. Она может сворачиваться, изгибаться, вибрировать. Струны взаимодействуют между собой, образуя петли. Из этих петель возникают более крупные частицы (кварки, электроны).

Масса этих частиц зависит от энергии, выделяемой петлей, когда та вибрирует. Чем больше энергии, тем больше масса частицы. Энергия зависит от того, как быстро колеблется петля, и от того, как сильно натянута струна. Чем интенсивней вибрирует петля, тем больше энергии она выделяет и тем больше масса элементарной частицы.

Сильно натянутая струна выделяет больше энергии, чем слабо натянутая. Следовательно, частица, созданная сильно натянутой струной, по массе будет больше частицы, возникшей из слабо натянутой. Длина петли, образованной струной, примерно в сто миллиардов миллиардов раз меньше размера атомного ядра. Поэтому современные эксперименты не могут подтвердить струнную природу материи.

Чтобы доказать, что струны существуют, физикам потребуется мощный ускоритель. Необходимо, чтобы он мог сталкивать частицы с энергией, в несколько миллионов миллиардов раз превышающей максимальный уровень, достигнутый на сегодняшний день. Самый мощный ускоритель «Большой адронный коллайдер» строится сейчас в Европейской организации по ядерным исследованиям (СБЩ в Женеве (Швейцария).

Проект, в котором участвует и Россия, планируется закончить в 2007 году. Возможно, эксперименты, проведенные на новом ускорителе, смогут подтвердить, что струны существуют на самом деле.

Теория без доказательства

В 2003 году «струнные» физики выяснили, что существует множество способов свернуть многомерные пространства и сделать их невидимыми для человеческого глаза. Чтобы получить из десятимерного четырехмерное пространство, «лишние» измерения можно скрутить в сферы, баранки или в так называемое пространство Калаби-Яу.

Сама теория струн не объясняет, как правильно и каким способом надо скручивать дополнительные измерения. Но каждый из вариантов скручивания десятимерной теории порождает свой четырехмерный мир. Этот мир может быть похож на наш, но может и отличаться. В настоящее время «струнные» физики считают, что число способов скручивания измерений огромно – как минимум 10100.

Но ученые не исключают, что таких вариантов вообще может быть бесконечно много. Получается следующая картина. Каков бы ни был наш мир. всегда найдется способ свести его к миру, который был бы согласован со струнной теорией. Таким образом,теория струн не только не противоречит современным экспериментам, но и не будет противоречить никакому опыту в обозримом будущем.

Это означает. что теорию струн нельзя будет опровергнуть.

Струны в космосе

Теория струн по-новому объясняет, как произошла наша Вселенная. Согласно доминирующей сегодня теории (Стандартной космологической модели), Вселенная образовалась в результате космического взрыва (Большого взрыва). Это произошло около 15 миллиардов лет назад. Но даже сегодня продолжают разлетаться «осколки» этого взрыва, представляющие собой миллиарды галактик.

Вселенная расширяется. Однако ученые не знают, будет ли она расширяться всегда или в какой-то момент она начнет опять сжиматься, что впоследствии вновь приведет к мощному космическому взрыву.

Если бы мы смогли просмотреть космическую историю в обратном порядке, то увидели бы, как все галактики проваливались в черную дыру и сжимались в единственную бесконечно малую точку. Физики называют эту точку сингулярностью. В тот момент, когда вся Вселенная сжалась в сингулярность, наша космическая история закончилась бы.

«Струнные» физики утверждают, что Большой взрыв был не моментом, когда возникла Вселенная, а просто переходной стадией. Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда.В отдаленном прошлом она была почти пуста. К моменту Большого взрыва Вселенная могла пройти несколько циклов гибели и возрождения (расширения и сжатия).

До Большого взрыва такие силы, как гравитация (притяжение), были слабы. Они постепенно росли, и материя начала сжиматься. Но, согласно теории струн, она сжималась не до бесконечно малой точки, а до крохотной длины струны. В некоторых областях Вселенной плотность возросла настолько, что начали формироваться черные дыры. Дыры разрастались, ускоряясь.

Они стягивали материю все плотнее и плотнее. Когда материя стала такой плотной, что не могла больше сжиматься, произошел Большой взрыв. Дальнейший сценарий развития нашей Вселенной у «струнных» физиков не отличается от Стандартной космологической модели.

Взгляд в будущее

У теории струн существуют две трудноразрешимые проблемы. Первая состоит в том, что, согласно этой теории, мы живем в мире десяти измерений. Мы ощущаем всего четыре: три пространственных измерения (длина, ширина и высота) и одно временное. Ученые считают, что другие шесть измерений пребывают в скрученном состоянии.

Например, представим себе канат, соединяющий два столба. Если смотреть на него издалека, мы увидим лишь тонкую линию. На канате живет муравей. Так как мы стоим на большом расстоянии, нам кажется, что муравей бегает только влево-вправо вдоль каната. Канат для нас выглядит одномерным объектом. Возьмем бинокль и вновь посмотрим на канат.

Теперь мы видим, что у муравья есть два направления для прогулок: вдоль по канату и вокруг его оси (по часовой и против часовой стрелки). Значит, поверхность каната имеет два измерения. Подобным образом ученые объясняют, как скручены шесть невидимых нам измерений.Вторая проблема техническая. У теории струн нет законченного варианта.

Она до сих пор не приведена в строгий математический вид. Для этого физикам недостает математических формул.Сторонники теории струн возлагают надежды на будущие поколения. В одной из телевизионных передач, посвященных теории струн, доктор физико-математических наук Дмитрий Гальцов отметил, что теория растет и развивается. «Она становится все проще и красивее.

Это еще не теория, пока это строительная площадка. Но на этой площадке уже видны контуры здания». Гальцов подчеркнул, что в будущем «теория струн будет одной из основных физических теорий», аргументируя это тем, что на сегодняшний день реальной альтернативы ей нет. В частности, теория струн объясняет проблемы черных дыр, другие теории этого сделать не могут.

Академик РАН Валерий Рубаков был менее оптимистичен, прогнозируя будущее теории струн. «Конечно, в глубине души все, кто этим делом занимается, надеются, что появится экспериментально подтверждаемые и подтвержденные результаты, которые будутпрямо свидетельствовать в пользу этих конструкций.

Но есть и такой шанс, что эксперименты обозримого будущего ничего нам прямо не скажут».«Струнные» физики попытались создать универсальную теорию. Но экспериментальные физики теорию струн не признают: ведь ее нельзя доказать опытным путем. Ученые надеются разработать такую универсальную теорию которую можно было бы проверить на практике.

Эта теория упростила бы картину устройства мира до предела. А мы бы смогли получить ответы на все вопросы, связанные с физическими явлениями. Но только вот когда мы их получим?

Теория струн

Теория струн — физическая теория, в которой частицы описаны как волны на струнах — формы вибрации, имеющей долготу, но не высоту или ширину, то есть струны не обладают другими измерениями, они имеют только длину.

Долгое время физики боролись с величайшей проблемой, стоящей перед наукой, — пропастью, разделяющей теорию относительности и квантовую механику. Обе эти теории вобрали в себя все фундаментальные физические знания о Вселенной.

Общая теория относительности и квантовая теория диаметрально противоположны друг другу практически во всех отношениях. Общая теория относительности — это теория очень большого: черных дыр, Больших Взрывов, квазаров и расширяющейся Вселенной.

Квантовая теория в точности противоположна — она описывает мир всего крошечного: атомов, протонов с нейтронами и кварков. В этих двух теориях все различно — математические подходы, физические принципы и области применения.

Не удивительно, что все попытки их объединения заканчивались провалом.

Все изменилось с появлением теории суперструн, которая утверждает, что электрон и другие субатомные частицы представляют собой не что иное, как различные колебания струны, работающей примерно как крошечная резиновая лента.

Если дернуть за натянутую резинку, она будет вибрировать на разные лады — при этом каждая нота соответствует конкретной субатомной частице.

Таким образом, теория суперструн объясняет существование сотен субатомных частиц, обнаруженных учеными при помощи ускорителей.

Сегодня многие физики верят в то, что найдена «теория всего» — теория суперструн, или М-теория, которые стали первым крупным достижением после теории Эйнштейна.

В этих теориях содержатся дальнейшие доказательства того, что наша Вселенная — лишь одна из многих.

В настоящее время только М-теория способна объединить теорию относительности и квантовую механику в связное целое, только М-теория способна создать «теорию всего».

В теории струн фундаментальные объекты не частицы, занимающие единственную точку в пространстве, а одномерные струны. Эти струны могут иметь концы или замыкаться на себя, образуя петли.

В точности как струны скрипки, они могут поддерживать разные режимы колебаний или резонансные частоты, длины волн которых целое число раз укладываются между концами струны.

Но если разные частоты колебаний скрипичных струн порождают разные музыкальные тона, различные режимы колебаний в теории струн соответствуют разным массам и зарядам, что интерпретируется как различные фундаментальные частицы. Чем короче длина волны колебания струны, тем больше масса частицы.

Стивен Хокинг считает, что различные теории струн и различные способы свернуть дополнительные измерения являются просто различными способами описать одни и те же явления в четырех измерениях. Теоретики струн убеждены, что пять различных теорий струн и супергравитация — только различные приближения к более фундаментальной теории, которую называют М-теорией.

В середине 1990-х Эдвард Виттен и другие физики-теоретики обнаружили веские доказательства того, что различные суперструнные теории представляют собой различные случаи неразработанной на то время 11-мерной М-теории. Это открытие ознаменовало вторую суперструнную революцию.

Когда Виттен дал название М-теории, он не уточнял, что обозначает «М». Предположения о том, что может обозначать М, стало игрой среди физиков-теоретиков.

Одни говорят, что М означает «Мистическая», «Магическая» или «Материнская». Более серьёзные предположения — «Матричная» и «Мембранная». Скептики заметили, что М может быть перевёрнутой W — первая буква имени Witten (Виттен).

Другие предполагают, что М в М-теории должно означать «Недостающая».

Ученые считают, что только в 10-ти и 11-ти мерном гиперпространстве «достаточно места», чтобы объединить все природные взаимодействия в единую теорию.

Такая теория сможет ответить на извечные вопросы: Что произошло еще до начала? Можно ли обратить время вспять? Могут ли порталы в другие измерения перенести нас через Вселенную? Могут ли существовать в дополнительных измерениях новые законы физики?

В настоящее время существует несколько теорий о том, что представляла собой эпоха до Большого взрыва. В одном сценарии наша Вселенная представляет собой гигантский пузырь непонятной природы, который непрерывно расширяется. Мы живем на оболочке этого гигантского пузыря.

Но наша Вселенная-пузырь существует в океане других пузырей-вселенных, образующих вместе Мультивселенную — что-то вроде вселенской пены. Время от времени эти пузыри могут сталкиваться, а могут делиться на более мелкие пузыри и затем снова расширяться — «вечная инфляция».

Мы верим, что наш мир состоит из всего, что мы видим, мы и представить себе не можем, что прямо у нас перед носом могут существовать целые вселенные.

Хотя другая вселенная могла бы «парѝть» в четвертом измерении всего лишь в нескольких сантиметрах над нами, она была бы невидимой.

Наша Вселенная четырехмерна (в ней три пространственных измерений и одно временное), это означает, что остальные шесть измерений должны быть каким-то образом схлопнуты, или свернуты.

Если существуют космические струны, которые могли возникнуть на ранних этапах эволюции Вселенной, то почему мы не замечаем эти лишние измерения? Согласно теории струн, они скручены в пространство очень небольшого размера, в масштабе настолько маленьком, что мы их не видим. В теории струн дополнительные измерения свернуты в так называемое «внутреннее пространство», в противоположность трехмерному пространству, которое мы видим в повседневной жизни.

Мичио Каку — один из авторов теории струн, считает, что с появлением теории струн, физики начинают пересматривать свое отношение к таким фантастическим идеям, как путешествия во времени и параллельные вселенные.

Сколько вселенных предсказывает теория струн? Вселенных может быть множество — многие триллионы вселенных, каждая из которых вполне согласуется с теорией относительности и квантовой теорией. Согласно одной из может существовать гугол таких вселенных.

(Гугол — единица со ста нулями)

Один из вариантов путешествий во времени предложил в 1991 г. Ричард Готт.

Его решение основывается на обнаружении в пространстве гигантских космических струн (возможно, оставшихся со времен Большого взрыва).

Готт предположил, что если быстро обогнуть две такие космические струны, которые собираются столкнуться, — попадешь в прошлое. Но, «дорога» в прошлое при этом откроется на очень короткий промежуток времени.

В 1997 году Хуан Малдасена из Института передовых исследований в Принстоне вызвал сенсацию, показав, что струнная теория ведет к новому типу голографической вселенной. Малдасена предположил, что Вселенная состоит из 9 измерений пространства и одного времени.

Голографическая теория доказывает, что весь мир, который мы наблюдаем каждый день, на самом деле — 3D проекция двухмерного варианта вселенной.

Согласно данной теории, гравитация, которая существует во вселенной, генерируется некими тонкими постоянно вибрирующими струнами, которые представляют собой последовательные голограммы событий.

Несмотря на математическую строгость и целостность теории, пока не найдены варианты экспериментального подтверждения теории струн. Развитие теории струн продолжается, и есть надежда, что недостающие элементы струнных теорий будут найдены в ближайшем будущем, в том числе в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере.

Теория струн -струны во всей вселенной

Различные версии теории струн сегодня рассматриваются в качестве главных претендентов на звание всеобъемлющей универсальной теории, объясняющей природу всего сущего.

А это — своего рода Священный Грааль физиков-теоретиков, занимающихся теорией элементарных частиц и космологии.

Универсальная теория (она же теория всего сущего) содержит всего несколько уравнений, которые объединяют в себе всю совокупность человеческих знаний о характере взаимодействий и свойствах фундаментальных элементов материи, из которых построена Вселенная.

Сегодня теорию струн удалось объединить с концепцией суперсимметрии, в результате чего родилась теория суперструн, и на сегодняшний день это максимум того, что удалось добиться в плане объединения теории всех четырех основных взаимодействий (действующих в природе сил).

Сама по себе теория суперсимметрии уже построена на основе априорной современной концепции, согласно которой любое дистанционное (полевое) взаимодействие обусловлено обменом частицами-носителями взаимодействия соответствующего рода между взаимодействующими частицами (см. Стандартная модель).

Для наглядности взаимодействующие частицы можно считать «кирпичиками» мироздания, а частицы-носители — цементом.

Теория струн — направление математической физики, изучающее динамику не точечных частиц, как большинство разделов физики, а одномерных протяжённых объектов, т.е. струн.

В рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли носителей взаимодействия — калибровочные бозоны, которыми эти кварки обмениваются между собой.

Теория же суперсимметрии идет еще дальше и утверждает, что и сами кварки и лептоны не фундаментальны: все они состоят из еще более тяжелых и не открытых экспериментально структур (кирпичиков) материи, скрепленных еще более прочным «цементом» сверхэнергетичных частиц-носителей взаимодействий, нежели кварки в составе адронов и бозонов.

Естественно, в лабораторных условиях ни одно из предсказаний теории суперсимметрии до сих пор не проверено, однако гипотетические скрытые компоненты материального мира уже имеют названия — например, сэлектрон (суперсимметричный напарник электрона), скварк и т. д. Существование этих частиц, однако, теориями такого рода предсказывается однозначно.

Картину Вселенной, предлагаемую этими теориями, однако, достаточно легко представить себе наглядно. В масштабах порядка 10Е–35 м, то есть на 20 порядков меньше диаметра того же протона, в состав которого входят три связанных кварка, структура материи отличается от привычной нам даже на уровне элементарных частиц.

На столь малых расстояниях (и при столь высоких энергиях взаимодействий, что это и представить немыслимо) материя превращается в серию полевых стоячих волн, подобных тем, что возбуждаются в струнах музыкальных инструментов.

Подобно гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо основного тона, множество обертонов или гармоник. Каждой гармонике соответствует собственное энергетическое состояние. Согласно принципу относительности (см.

Теория относительности), энергия и масса эквивалентны, а значит, чем выше частота гармонической волновой вибрации струны, тем выше его энергия, и тем выше масса наблюдаемой частицы.

Однако, если стоячую волну в гитарной струне представить себе наглядно достаточно просто, стоячие волны, предлагаемые теорией суперструн наглядному представлению поддаются с трудом — дело в том, что колебания суперструн происходят в пространстве, имеющем 11 измерений.

Мы привыкли к четырехмерному пространству, которое содержит три пространственных и одно временное измерение (влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад, прошлое-будущее). В пространстве суперструн всё обстоит гораздо сложнее (см. вставку).

Физики-теоретики обходят скользкую проблему «лишних» пространственных измерений, утверждая, что они «скрадываются» (или, научным языком выражаясь, «компактифицируются») и потому не наблюдаются при обычных энергиях.

Совсем уже недавно теория струн получила дальнейшее развитие в виде теории многомерных мембран — по сути, это те же струны, но плоские. Как походя пошутил кто-то из ее авторов, мембраны отличаются от струн примерно тем же, чем лапша отличается от вермишели.

Вот, пожалуй, и всё, что можно вкратце рассказать об одной из теорий, не без основания претендующих на сегодняшний день на звание универсальной теории Великого объединения всех силовых взаимодействий. Увы, и эта теория небезгрешна.

Прежде всего, она до сих пор не приведена к строгому математическому виду по причине недостаточности математического аппарата для ее приведения в строгое внутреннее соответствие.

Прошло уже 20 лет, как эта теория появилась на свет, а непротиворечиво согласовать одни ее аспекты и версии с другими так никому и не удалось.

Еще неприятнее то, что никто из теоретиков, предлагающих теорию струн (и, тем более суперструн) до сих пор не предложил ни одного опыта, на котором эти теории можно было бы проверить лабораторно. Увы, боюсь, что до тех пор, пока они этого не сделают, вся их работа так и останется причудливой игрой фантазии и упражнениями в постижении эзотерических знаний за пределами основного русла естествознания.

Изучение свойств чёрных дыр

В 1996 г. струнные теоретики Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа, опираясь на более ранние результаты Сасскинда и Сена, опубликовали работу «Микроскопическая природа энтропии Бекенштейна и Хокинга».

В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определенного класса чёрных дыр, а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию.

Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений, которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого.

Реальным процессам образования чёрных дыр Строминджер и Вафа противопоставили конструктивный подход. Они изменили точку зрения на образование чёрных дыр, показав, что их можно конструировать путем кропотливой сборки в один механизм точного набора бран, открытых во время второй суперструнной революции.

Имея в руках все рычаги управления микроскопической конструкцией чёрной дыры, Строминджер и Вафа смогли вычислить число перестановок микроскопических компонентов чёрной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, например масса и заряд, остаются неизменными.

После этого они сравнили полученное число с площадью горизонта событий чёрной дыры — энтропией, предсказанной Бекенштейном и Хокингом, — и получили идеальное согласие.

По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии. Проблема, стоявшая перед физиками в течение четверти века, была решена.

Для многих теоретиков это открытие было важным и убедительным аргументом в поддержку теории струн. Разработка теории струн до сих пор остается слишком грубой для прямого и точного сравнения с экспериментальными результатами, например, с результатами измерений масс кварка или электрона.

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. Даже Шелдон Глэшоу, Нобелевский лауреат по физике и убеждённый противник теории струн в 1980-е гг., признался в интервью в 1997 г.

, что «когда струнные теоретики говорят о чёрных дырах, речь идёт едва ли не о наблюдаемых явлениях, и это впечатляет».

Струнная космология

Существует три основных пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель. Во-первых, в духе современных исследований, всё более проясняющих ситуацию, из теории струн следует, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер.

Этот вывод меняет представление о структуре Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва, для которого в стандартной модели получается нулевой размер Вселенной. Во-вторых, понятие T-дуальности, то есть дуальности малых и больших радиусов (в его тесной связи с существованием минимального размера) в теории струн, имеет значение и в космологии.

В-третьих, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырёх, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений.

Модель Бранденберга и Вафы

В конце 1980-х гг. Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа сделали первые важные шаги к пониманию того, к каким изменениям в следствиях из стандартной космологической модели приведет использование теории струн. Они пришли к двум важным выводам.

Во-первых, по мере движения назад к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до момента, когда размеры Вселенной по всем направлениям сравняются с планковской длиной. В этот момент температура достигнет максимума и начнёт уменьшаться. На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления.

Предположим для простоты (следуя Бранденбергеру и Вафе), что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается.

Из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. Поскольку температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению роста температуры и её дальнейшему снижению.

В результате Бранденбергер и Вафа пришли к следующей космологической картине: сначала все пространственные измерения в теории струн плотно свернуты до минимальных размеров порядка планковской длины.

Температура и энергия высоки, но не бесконечны: парадоксы начальной точки нулевого размера в теории струн решены.

В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения теории струн совершенно равноправны и полностью симметричны: все они свернуты в многомерный комок планковских размеров.

Далее, согласно Бранденбергеру и Вафе, Вселенная проходит первую стадию понижения симметрии, когда в планковский момент времени три пространственных измерения отбираются для последующего расширения, а остальные сохраняют исходный планковский размер. Затем эти три измерения отождествляются с измерениями в сценарии инфляционной космологии и в процессе эволюции принимают наблюдаемую теперь форму.

Модель Венециано и Гасперини

После работы Бранденбергера и Вафы физики непрерывно продвигаются вперёд к пониманию струнной космологии. В числе тех, кто идет во главе этих исследований — Габриэле Венециано и его коллега Маурицио Гасперини из Туринского университета.

Эти учёные представили свой вариант струнной космологии, который в ряде мест соприкасается с описанным выше сценарием, но в других местах принципиально отличается от него.

Как Бранденбергер и Вафа, для исключения бесконечной температуры и плотности энергии, которые возникают в стандартной и инфляционной модели, они опирались на существование минимальной длины в теории струн.

Однако вместо вывода о том, что в силу этого свойства Вселенная рождается из комка планковских размеров, Гасперини и Венециано предположили, что существовала доисторическая вселенная, возникшая задолго до момента, который называется нулевой точкой, и породившая этот космический «эмбрион» планковских размеров.

Исходное состояние Вселенной в таком сценарии и в модели Большого взрыва очень сильно различаются.

Согласно Гасперини и Венециано, Вселенная не являлась раскаленным и плотно скрученным клубком измерений, а была холодной и имела бесконечную протяженность.

Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все её точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны.

Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось всё более искривлённым и в результате произошел резкий скачок температуры и плотности энергии.

Прошло немного времени, и трёхмерная область миллиметровых размеров внутри этих бескрайних просторов преобразилась в раскалённое и плотное пятно, тождественное пятну, которое образуется при инфляционном расширении по Гуту.

Затем все пошло по стандартному сценарию космологии Большого взрыва, и расширяющееся пятно превратилось в наблюдаемую Вселенную.

Поскольку в эпоху до Большого взрыва происходило своё инфляционное расширение, решение парадокса горизонта, предложенное Гутом, оказывается автоматически встроенным в этот космологический сценарий. По выражению Венециано (в интервью 1998 г.), «теория струн преподносит нам как на блюдечке вариант инфляционной космологии».

Изучение струнной космологии быстро становится областью активных и продуктивных исследований. Например, сценарий эволюции до Большого взрыва уже не раз был поводом горячих споров, а его место в будущей космологической формулировке далеко не очевидно.

Однако нет сомнений, что эта космологическая формулировка будет твёрдо опираться на понимание физиками результатов, открытых во время второй суперструнной революции. Например, до сих пор не ясны космологические следствия существования многомерных мембран.

Иными словами, как изменитcя представление о первых моментах существования Вселенной в результате анализа законченной М-теории? Этот вопрос интенсивно исследуется.

Похожее

Теория струн и скрытые измерения вселенной – доказательства существования

Наука является необъятной сферой и огромное количество исследований и открытий проводится ежедневно, при этом стоит заметить, что некоторые теории вроде и являются интересными, но при этом они не имеют реальных подтверждений и как бы «висят в воздухе».

Что такое теория струн?

Физическая теория, представляющая частицы в форме вибрации, называется теорией струн. У этих волн есть только один параметр – долгота, а высота и ширина отсутствуют. Выясняя, что это теория струн, следует рассмотреть основные гипотезы, которые она описывает.

1. Предполагается, что все вокруг состоят из нитей, которые вибрируют, и мембран энергии.
2. Пытается соединить воедино общую теорию относительности и квантовую физику.
3. Теория струн дает шанс объединить все фундаментальные силы Вселенной.
4. Предсказывает симметричную связь между разными типами частиц: бозонами и фермионами.
5. Дает шанс описать и представить измерения Вселенной, которые ранее не наблюдались.

Теория струн – кто открыл?

У представленной гипотезы нет одного автора, который ее предположил и начал развивать, поскольку в работе на разных этапах принимало и принимает участие огромное количество людей.

1. Впервые в 1960 году квантовая теория струн была создана, чтобы объяснить явление в адронной физике. В это время ее развивали: Г. Венециано, Л. Сасскинд, Т. Гото и другие.
2. Рассказал, что такое теория струн, ученый Д. Шварц, Ж. Шерк и Т. Енэ, поскольку они разрабатывали гипотезу бозонных струн, а произошло это через 10 лет.
3. В 1980 года два ученых: М. Грин и Д. Шварц выделили теорию суперструн, которые обладали уникальными симметриями.
4. Исследования предложенной гипотезы проводятся и по сей день, но доказать ее пока не удалось.

Теория струн – философия

Есть философское направление, которое имеет связь с теорией струн, а называют его монадой. Она подразумевает использование символов для того, чтобы компактифицировать любой объем информации.

Монада и теория струн в философии используют противоположности и двойственности. Самый популярный простой символ монады – Инь-Янь.

Специалисты предложили изобразить теорию струн на объемной, а не на плоской монаде и тогда струны будут являться реальностью, хоть их длинна и будет мизерной.

Если используется объемная монада, то линия, разделяющая Инь-Янь, будет плоскостью, а применяя многомерную монаду, получают свернутый в спираль объем.

Пока нет работы по философии, касающейся многомерных монад – это сфера для изучения в будущем.

Философы считают, что познание является бесконечным процессом и при попытке создать единую модель мироздания, человек еще не раз удивится и изменит свои базисные понятия.

Недостатки теории струн

Поскольку гипотеза, предложенная рядом ученых, является неподтвержденной, то вполне объяснимо наличие ряда проблем, указывающих на необходимость ее доработки.

1. Имеет теория струн заблуждения, например, при вычислениях был обнаружен новый тип частиц – тахионы, но они не могут существовать в природе, поскольку квадрат их массы меньше нуля, а скорость перемещения больше скорости света.
2. Теория струн может существовать только в десятимерном пространстве, но тогда актуальным является вопрос – почему человек не воспринимает другие измерения?

Теория струн – доказательство

Две основные физические конвенции, на которых строятся научные подтверждения, на самом деле противостоят друг другу, поскольку они по-разному представляют строение мироздания на микроуровне. Чтобы их примерить, была предложена теория космических струн.

По многим параметрам она выглядит достоверной и не только на словах, но и по математическим расчетам, но на сегодняшний день у человека нет возможности практически доказать ее.

Если струны существуют, что они находятся на микроскопическом уровне, и пока нет технических возможностей, чтобы их распознать.

Теория струн и Бог

Известный физик-теоретик М. Каку предложил теорию, в которой он при помощи гипотезы струн доказывает существование Господа. Он пришел к выводу, что все в мире действует согласно определенным законам и правилам, установленным единым Разумом.

По словам Каку теория струн и скрытые измерения Вселенной помогут создать уравнение, объединяющее все силы природы и позволяющее понимать разум Бога. Упор своей гипотезы он делает на частицах тахионах, которые движутся быстрее света.

Еще Эйнштейн говорил о том, что если обнаружить такие части, то можно будет двигать время назад.

Проведя ряд экспериментов, Каку сделал вывод, что жизнь человека управляется стабильными законами, а не реагирует на космические случайности.

Теория струн в жизни существует, и она связана с неизвестной силой, которая контролирует жизнь и делает ее целостной. По его мнению, это и есть Господь Бог.

Каку уверен, что Вселенная представляет собой вибрирующие струны, которые исходят из разума Всевышнего.