Краткая история теории струн. Реферат теория струн

Теория струн и скрытые измерения Вселенной

Шинтан ЯУ, Стив НАДИС

 (Shing-TungYau, SteveNadis. The Shape of Inner Space: String Theory and the Geometry of the Universe's Hidden Dimensions)

Легендарный математик Шинтан Яу утверждает, что геометрия не только является основой теории струн, но и лежит в самой природе нашей Вселенной.

Одиннадцатая глава. Распускающаяся Вселенная

(Все, что вы хотели знать о конце света, но боялись спросить)

Человек приходит в лабораторию, где его встречают два физика: женщина — старший научный сотрудник и ее ассистент — молодой мужчина, который показывает гостю множество исследовательских приборов, занимающих все помещение: вакуумную камеру из нержавеющей стали, герметичные емкости с хладагентом — азотом или гелием, компьютер, различные измерительные приборы, осциллоскопы и т. п. Человеку вручают пульт управления и говорят, что в его руках сейчас находится судьба эксперимента, а возможно, и судьба всей Вселенной. Если молодой ученый все сделает правильно, то прибор получит энергию из квантованного вакуума, сделав человечеству необыкновенно щедрый подарок — так называемую «энергию созидания в наших руках». Но если молодой ученый ошибется, предупреждает его умудренный опытом коллега, то прибор может запустить фазовый переход, в результате чего вакуум пустого пространства распадется до более низкого энергетического состояния, высвободив всю энергию сразу. Женщина-физик говорит, что «это будет не только конец Земли, но и конец всей Вселенной». Человек с волнением сжимает пульт управления, его ладони вспотели. Остаются считанные секунды до наступления момента истины. «Лучше бы тебе решить быстро», — говорят ему.

Хотя это и научная фантастика — отрывок из рассказа «Вакуумные состояния» Джефри Лэндиса, но возможность распада вакуума не является полной фантазией. Этот вопрос исследовался в течение ряда десятилетий, что видно по публикациям в более серьезных научных журналах, чем Asimov’s Science Fiction, а именно в Nature, Physical Review Letters, Nuclear Physics B и т. д., таких ученых, как Сидни Коулман, Мартин Рис, Майкл Тёрнер и Фрэнк Вилчек. В настоящее время многие физики, и, вероятно, большинство интересующихся аналогичными вопросами полагают, что вакуумное состояние нашей Вселенной, то есть пустое пространство, лишенное всякого вещества, за исключением частиц, хаотически движущихся в результате квантовых флуктуаций, является скорее метастабильным, нежели стабильным. Если эти теоретики правы, то вакуум, в конечном счете, распадется, что будет иметь для мира самые разрушительные последствия (по крайней мере с нашей точки зрения), хотя эти неприятности могут и не наблюдаться до тех пор, пока не исчезнет Солнце, не испарятся черные дыры, не распадутся протоны.

Хотя никто не знает, что случится в долгосрочной перспективе, но похоже, с одним многие согласны, по крайней мере в некоторых научных кругах: текущее устройство мира не является неизменным, и в конце концов произойдет распад вакуума. Опровержения обычно звучат следующим образом: хотя многие исследователи считают, что полностью стабильное вакуумное энергетическое состояние или космологическая постоянная не согласуются с теорией струн, не следует забывать, что сама теория струн, в отличие от описывающих ее математических утверждений, пока не доказана. Более того, я должен напомнить читателям, что я математик, а не физик, а мы затронули области, которые выходят за пределы моей компетенции. Вопрос о том, что может произойти в конце концов с шестью компактными измерениями из теории струн должны ставить физики, а не математики. Поскольку гибель этих шести измерений может быть связана с гибелью части нашей Вселенной, исследования такого рода обязательно включают неопределенный, даже недостоверный эксперимент, так как, к счастью, мы еще не провели решающий эксперимент, касающийся конца нашей Вселенной. И у нас нет возможностей, кроме богатого воображения, как у Лэндиса, чтобы поставить его.

Помня об этом, по возможности отнеситесь к этой дискуссии со здоровым скепсисом, используя выбранный мною подход, — как к фантастическим скачкам в стране вероятности. Появится шанс выяснить, что физики думают о том, что может произойти с шестью скрытыми измерениями, о которых ведется так много споров. У нас пока нет никаких доказательств, и мы даже не знаем, как это можно проверить, но я предоставлю вам возможность увидеть, как далеко может завести фантазия и компетентные спекуляции.

Представьте, что ученый в рассказе Лэндиса нажал на кнопку пульта управления, внезапно инициировав цепь событий, которые привели бы к распаду вакуума. Что бы произошло тогда? А вот этого никто не знает. Но независимо от результата — придется ли нам пройти через огонь или через лед (почти по Роберту Фросту, который писал: «Одни твердят, что сгинет мир в огне, другие — что во льду...») — наш мир, безусловно, должен измениться до неузнаваемости. Как написал Эндрю Фрей (университет Макджилла) с коллегами в одном из номеров «Physical Review D» в 2003 году: «один из видов распада [вакуума], рассмотренный в этой статье, в полном смысле будет означать конец Вселенной для любого, кто будет иметь несчастье стать свидетелем этого». В этом плане существуют два сценария. Оба связаны с радикальными изменениями статус-кво, хотя первый сценарий более суровый, поскольку влечет за собой конец пространства-времени в том виде, в котором оно нам известно.

Давайте вспомним рисунок из десятой главы, где изображен небольшой мяч, катящийся по слегка искривленной поверхности, на которой высота каждой точки соответствует различным уровням энергии вакуума. В данный момент наш шар находится в полустабильном состоянии, которое называется потенциальной ямой — по аналогии с небольшим углублением или ямой на каком-нибудь холмистом ландшафте. Предположим, что дно этой ямы находится выше уровня моря, или, другими словами, — значение энергии вакуума остается положительным. Если этот ландшафт является классическим, то шар будет находиться в этой яме бесконечно. Другими словами, его «место отдыха» станет его «местом последнего успокоения». Но ландшафт не является классическим. Это ландшафт квантовой механики, а в этом случае могут происходить интересные вещи: если мяч чрезвычайно мал и поэтому подчиняется законам квантовой механики, то он может в буквальном смысле пробуравить стенку ямы, чтобы достичь внешнего мира, — что является результатом совершенно реального явления, известного как квантовое туннелирование. Оно возможно благодаря фундаментальной неопределенности, одному из понятий квантовой механики. Согласно принципу неопределенности, сформулированному Вернером Гейзенбергом, местоположение вопреки мантре риелторов — это не только вещь, и это даже не абсолютная вещь. И если существует наибольшая вероятность обнаружить частицу в одном каком-то месте, то существует также и вероятность найти ее в других местах. А если такая вероятность существует, утверждает теория, то, в конце концов, это событие произойдет при условии достаточно длительного ожидания. Этот принцип верен для мячей любых размеров, хотя для большого мяча вероятность обнаружить его в другом месте значительно меньше, чем для маленького.

Как ни странно, эффекты квантового туннелирования можно наблюдать в реальном мире. Это хорошо исследованное явление лежит в основе работы сканирующих туннельных микроскопов, когда электроны проходят через, казалось бы, непроходимые барьеры. По аналогичной причине производители чипов не могут сделать их слишком тонкими, иначе работе чипов будет мешать утечка электронов в результате туннельных эффектов.

Идея о частицах, например электроне, метафорически или реально туннелирующем через стену, — это одно, а как насчет пространства-времени в целом? Понятие туннелирования вакуума при переходе из одного энергетического состояния в другое является, по общему признанию, сложным для понимания, хотя эта теория была хорошо разработана еще Коулманом с коллегами в 1970-е годы. В этом случае барьером является не стена, а некий вид энергетического поля, который не дает вакууму перейти к состоянию с меньшей энергией, более стабильному, а следовательно, более предпочтительному. Изменение в этом случае происходит за счет фазового перехода аналогично тому, как жидкая вода превращается в лед или пар, но при этом изменяется большая часть Вселенной, возможно, даже та ее часть, где обитаем мы.

Это подводит нас к кульминационному моменту первого сценария, при котором нынешнее состояние вакуума туннелирует из состояния с небольшой положительной энергией (фактически то, что сегодня называется темной энергией или космологической константой) в состояние с отрицательной энергией. В результате энергия, которая в настоящее время заставляет нашу Вселенную ускоренно расширяться, сожмет ее в точку, что приведет к катастрофическому событию, известному под названием Большое сжатие. При такой космической сингулярности как плотность энергии, так и кривизна Вселенной станут бесконечными, что равносильно тому, как если бы мы неожиданно попали в центр черной дыры или если бы Вселенная вернулась к состоянию Большого взрыва.

События, которые могут последовать за Большим сжатием, можно описать двумя словами: «ставки сделаны!» «Мы не знаем, что случится с пространством-временем, не говоря уже о том, что случится с дополнительными измерениями», — отмечает физик Стив Гиддингс из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Это лежит за пределами нашего опыта и понимания почти во всех отношениях.

Квантовое туннелирование является не единственным способом инициировать изменение состояния вакуума: это можно сделать с помощью так называемых тепловых флуктуаций. Давайте вернемся снова к нашему крошечному мячу на дне потенциальной ямы. Чем выше температура, тем быстрее движутся атомы, молекулы и другие элементарные частицы. А если частицы движутся, некоторые из них случайно могут врезаться в мяч, толкая его в ту или иную сторону. В среднем эти столкновения уравновешиваются, и мяч остается в относительно стабильном положении. Но предположим, что при статистически благоприятной ситуации несколько атомов врезаются в мяч последовательно, причем в одном и том же направлении. В результате одновременного действия нескольких таких столкновений мяч может быть вытолкнут из ямы. Он покатится по наклонной поверхности и, возможно, будет катиться до тех пор, пока его энергия не станет равной нулю, если, конечно, при движении он не окажется в другой яме или углублении.

В качестве более удачной аналогии можно привести испарение, считает физик Мэтью Клебан из Нью-Йоркского университета: «Невооруженным глазом невозможно увидеть, как вода испаряется из чашки, — объясняет он. — Но молекулы воды постоянно сталкиваются, особенно если вода нагревается, а иногда они сталкиваются с такой силой, что выплескиваются из чашки. Это похоже на то, что происходит в тепловом процессе».

Однако существуют два важных различия. Одно из них заключается в том, что обсуждаемые здесь процессы происходят в вакууме, а это традиционно означает отсутствие материи, а следовательно, и частиц. Что же тогда сталкивается? Во-первых, температура никогда не достигает нуля (фактически, это оказалось одним из свойств расширяющейся Вселенной), а во-вторых, пространство никогда не бывает полностью пустым, поскольку пары виртуальных частиц — частица и античастица — непрерывно возникают и исчезают в результате аннигиляции в такой короткий промежуток времени, что мы никак не можем поймать их с поличным. Другое отличие заключается в том, что этот процесс виртуального рождения и уничтожения является квантовым, поэтому, говоря о тепловых флуктуациях, необходимо не забывать о квантовом вкладе.

Теперь мы готовы обсудить второй сценарий, который, возможно, мягче, чем первый, но не намного. С помощью квантового туннелирования или, возможно, тепловой или квантовой флуктуации наша Вселенная может перейти в другое метастабильное состояние (вероятнее всего, с более низким уровнем энергии вакуума) на ландшафте теории струн. Но это, как и в случае нашей текущей ситуации, будет только временным состоянием («небольшой промежуточной станцией»), или метастабильной остановкой-отдыхом на пути к конечному пункту назначения. Этот вопрос связан с тем, как Шамит Качру, Рената Каллош, Андрей Линде и Сандип Триведи (авторы статьи KKLT) описали акт великого исчезновения в теории струн, дающей нам представление о Вселенной с четырьмя большими измерениями, а не десятью, одновременно включив гипотезу инфляции в струнную космологию. И хотя в настоящее время мы видим только четыре измерения, «в далеком будущем Вселенная «не захочет» быть четырехмерной, — считает Андрей Линде, специалист по космологии из Стэнфорда. — Она «хочет» быть десятимерной». И если запастись терпением, то можно этого дождаться.

Согласно Линде, компактифицированные измерения хороши в краткосрочном плане, но они не идеальны для Вселенной в долгосрочной перспективе. «Сейчас мы как будто стоим на вершине здания, но еще не спрыгнули с него. Если мы не сделаем это по доброй воле, то квантовая механика сделает это за нас, «сбросив» на самый низкий уровень энергетического состояния».

Причина, по которой Вселенная с десятью некомпактифицированными измерениями является эргономически предпочтительной, заключается в том, что в самых современных моделях, известных сегодня, энергия вакуума является следствием компактификации дополнительных измерений. Иначе говоря, темная энергия, о которой так много говорят, не просто управляет ускоряющимся расширением Вселенной, но часть (если не вся) этой энергии идет на удержание дополнительных измерений в компактифицированном состоянии, сжатых туже, чем пружины швейцарских часов. Только в нашей Вселенной, в отличие от часов «Rolex», это делают потоки и браны.

Другими словами, рассматриваемая система обладает положительной потенциальной энергией. Чем меньше радиус дополнительных измерений, тем туже закручена пружина и тем больше запасенная энергия. И наоборот, с увеличением радиуса этих измерений потенциальная энергия снижается, достигая нулевого значения, когда радиус становится бесконечным. Это самый низкий уровень энергетического состояния и, следовательно, действительно устойчивый вакуум — точка, в которой плотность темной энергии достигает нулевого значения, а радиусы всех десяти измерений становятся бесконечно большими. Другими словами, когда-то небольшие внутренние измерения становятся декомпактифицированными.

Декомпактификация представляет собой явление, обратное компактификации, которая, как мы говорили, составляет одну из самых больших проблем в теории струн: если эта теория описывает Вселенную десятимерной, то почему мы видим только четыре измерения? Струнные теоретики затрудняются дать ответ на вопрос, каким образом дополнительные размерности теории так тщательно спрятаны, поскольку, по мнению Линде, при прочих равных условиях измерения должны быть довольно крупными. Это похоже на попытку увеличить объем воды в заполненном резервуаре с жесткими стенками. В каждом направлении, в любом уголке такой структуры вода будет стремиться наружу. И она не прекратит своих попыток, пока не реализует их. Когда это произойдет и стенки резервуара вдруг поддадутся, вода, ограниченная компактной областью (объемом резервуара), выльется и растечется по обширной поверхности. Исходя из современного представления о теории струн, то же самое произойдет с компактными измерениями — свернутыми в пространства Калаби–Яу или в другие сложные конфигурации. Независимо от того, какая конфигурация выбрана для внутренних измерений, они в конце концов развернутся и раскроются.

Конечно, может возникнуть вопрос: если декомпактификация измерений выгодна с энергетической точки зрения, то почему этого до сих пор не произошло? Одно из решений, предлагаемых физиками (см. десятую главу), привлекает браны и потоки. Предположим, что у нас есть перекачанная велосипедная камера, из-за чего в каком-нибудь наиболее тонком месте велосипедной покрышки может образоваться вздутие — пузырь, который в конце концов лопнет. Можно укрепить слабое место шины, наложив заплату, которая чем-то напоминает брану, или перемотать всю покрышку резиновой лентой, чтобы сохранить ее форму, что делают потоки с пространствами Калаби–Яу. То есть суть идеи в том, что мы имеем две противоположные силы — естественное стремление к расширению (к перекачанной камере) и сдерживающие это расширение браны, потоки и другие структуры, наматывающиеся вокруг объекта и, таким образом, удерживающие его. В настоящее время эти противодействующие силы превосходно сбалансированы и находятся в равновесии.

Однако этот мир неустойчив. Если радиус дополнительного измерения увеличивается за счет небольших квантовых флуктуаций, то браны и потоки обеспечивают возвращающую силу, которая быстро приводит радиусы измерений к исходному состоянию. Но если чрезмерно растянуть измерение, то браны или потоки могут разорваться. Гиддингс объясняет это следующим образом: «в конце концов особо сильная флуктуация увеличит радиус до порогового значения декомпактификации» и, оказавшись на правом склоне графика (рис. 11.1), мы покатимся вниз до бесконечности.

На рис. 11.2 показана похожая ситуация, но с одним нюансом. Вместо прямого туннелирования во Вселенную с десятью декомпактифицированными измерениями мы сделаем по пути одну или несколько остановок. Но в любом случае, будете ли вы лететь без промежуточной посадки или сделаете пересадку в Далласе или Чикаго, конечный пункт один и тот же. Причем неотвратимо. И похоже, что посадка будет не очень мягкой. Стоит помнить, что изменение, когда оно произойдет, будет фазовым переходом вакуума, а не мячом, выкатывающимся из ямы или пробивающим стену. Изменение начинается с возникновения крошечного пузыря, но этот пузырь будет расти экспоненциально. Внутри пузыря компактификация шести измерений почти планковских размеров начнет сама себя раскручивать. По мере роста пузыря пространство-время четырех больших измерений и шести свернутых измерений начнут объединение. Там, где размерности были разделены на компактифицированные и расширенные, окажется десять декомпактифицированных, объединенных вместе, размерностей без разделяющих их барьеров.

«Мы говорим о пузыре, который расширяется со скоростью света, — говорит Шамит Качру. — Он возникает в определенном месте пространства-времени, аналогично зарождению пузырьков в воде. Отличие состоит в том, что такой пузырь не поднимается сразу вверх и не лопается. Наоборот, он расширяется и вытесняет всю воду».

Но как может пузырь двигаться столь быстро? Причина состоит в том, что декомпактификационное состояние внутри пузыря находится на более низком энергетическом уровне, чем мир за его пределами. Поскольку системы естественным образом эволюционируют в состояния с более низкой энергией, в нашем случае — в направлении увеличения радиуса компактифицированных измерений, градиент потенциальной энергии создает силу на краю пузыря, вызывающую ускорение, направленное наружу.

Это ускорение разгоняет пузырь до скорости света за какие-то доли секунды.

Линде описывает это явление более красочно: «Пузырь стремится двигаться как можно быстрее, а если у вас есть возможность прекрасно существовать на более низком энергетическом уровне, то зачем ждать? — спрашивает он. — Поэтому пузырь двигается все быстрее и быстрее, но он не может двигаться быстрее света». Хотя, если бы он знал, какая награда его ждет, то постарался бы обогнать свет, если бы мог.

В связи с тем, что пузырь растет со скоростью света, мы никогда не узнаем, что нас постигнет. Единственным предварительным предупреждением, которое мы получим, будет ударная волна, которая придет раньше на долю секунды. Пузырь с огромной кинетической энергией обрушится на нас фронтом этой ударной волны. Но это только первый раунд конца света. Поскольку стенка пузыря обладает малой толщиной, то понадобятся какие-то доли секунды, чтобы произошло самое наихудшее. В месте, которое мы называем своим домом, действуют четырехмерные законы физики, тогда как внутренняя часть пузыря подчиняется законам десятимерного пространства. И эти законы вступят в действие, как только внутренняя часть пузыря проникнет в наш мир. Как однажды заметил драматург Дэвид Мамет: «Все меняется».

Фактически, все, что вы можете представить себе: от самой крошечной частички до таких замысловатых структур, как галактические сверхскопления, внезапно разорвется на шесть расширяющихся измерений. Планеты и люди превратятся в составляющие их компоненты, а эти компоненты также прекратят свое существование. Таких отдельных частиц, как кварки, электроны и фотоны, уже не будет — они или соединятся, чтобы продолжить свое существование вместе, или возродятся снова, но с уже новыми массами и новыми свойствами. Хотя пространство-время все еще будет существовать, пусть и в измененном состоянии, законы физики изменятся радикально.

Сколько нам осталось до такого «взрыва» измерений? Мы очень надеемся, что вакуум нашей сегодняшней Вселенной является устойчивым с тех пор, как примерно 13, 7 миллиарда лет назад закончилась инфляционная фаза, отмечает Генри Тай (Henry Tye) из Корнелловского университета. «Но если ожидаемый срок жизни Вселенной составляет пятнадцать миллиардов лет, то нам осталось примерно миллиард лет или около того». У нас еще достаточно времени, до того как настанет момент «паковать чемоданы».

Но по всем признакам нажимать тревожную кнопку еще рано. Может пройти чрезвычайно много времени (приблизительно ) лет до распада нашего пространства-времени. Это число настолько большое, что его сложно представить даже математикам. Мы говорим о e — одной из фундаментальных констант природы, числе, которое равно примерно 2, 718, умноженном само на себя 10120 (единица со ста двадцатью нулями) раз. Если это грубое предположение верно, то наш период ожидания будет практически бесконечно долгим.

Откуда же взялось в нашей оценке число ? Исходной посылкой является предположение, что наша Вселенная эволюционирует в нечто, называемое пространством де Ситтера, — пространство с преимущественно положительной космологической константой, в котором все вещество и излучение становятся в конце концов настолько разреженными, что практически исчезают. Впервые такое пространство было описано в 1917 году датским астрофизиком Виллемом де Ситтером как решение уравнений Эйнштейна для пустого пространства. Если наша Вселенная со своей малой космологической константой является «де Ситтеровой», то энтропия такого пространства будет очень большой, порядка 10120 (откуда взялась эта оценка — чуть позже). Энтропия так велика, поскольку велик объем де ситтеровской Вселенной. Подобно тому как в большом ящике больше разных мест, в которые можно поместить электрон, чем в маленьком, так у большой Вселенной больше возможных состояний (а следовательно, и более высокая энтропия), чем у небольшой.

Пространство де Ситтера обладает горизонтом событий, так же как и черная дыра. Если вы приблизитесь к черной дыре и перейдете роковую черту, она втянет вас внутрь, и вы уже не вернетесь домой к ужину. То же верно и в отношении света, который не сможет покинуть дыру. Это также верно и в случае горизонта де Ситтера. Если зайти слишком далеко в пространство, которое расширяется с ускорением, то вы никогда не сможете вернуться в точку, откуда стартовали. Свет, как и в случае черной дыры, тоже не сможет вернуться назад.

Когда космологическая постоянная мала, а ускоренное расширение происходит относительно медленно, что имеет место в современном мире, горизонт находится очень далеко. Вот почему объем этого пространства такой большой. И наоборот, если космологическая постоянная велика, а Вселенная расширяется с огромной скоростью, то горизонт (или критическая точка) может находиться очень близко — чуть ли не под рукой (в буквальном смысле), и объем соответственно будет мал. «Если вы засунете вашу руку слишком далеко в такое пространство, — объясняет Линде, — то быстрое расширение может оторвать вам ее».

Хотя энтропия пространства де Ситтера коррелирует с объемом, правильнее будет сказать, что она коррелирует с площадью поверхности горизонта событий, которая определяется расстоянием (точнее, квадратом расстояния) до горизонта. Фактически, можно использовать то же обоснование и формулу Бекенштайна–Хокинга, что мы применяли к черным дырам в восьмой главе, то есть энтропия де Ситтера пропорциональна площади горизонта, деленной на четыре ньютоновские гравитационные постоянные G. Расстояние до горизонта, или, формально, — квадрат расстояния, в свою очередь зависит от космологической постоянной: чем больше значение космологической постоянной, тем меньше расстояние. Поскольку энтропия соизмерима с квадратом расстояния, а квадрат расстояния обратно пропорционален космологической постоянной, то энтропия также будет обратно пропорциональна космологической постоянной. По Хокингу, верхний предел для космологической постоянной в нашей Вселенной составляет 10–120 в «безразмерных единицах», которые используют физики. Число 10–120 является грубым приближением, его не следует воспринимать как точную цифру. Энтропия, будучи обратно пропорциональной космологической постоянной, получается чрезвычайно большой — примерно 10–120, как упоминалось выше. Энтропия по определению равна не числу состояний, а натуральному логарифму числа состояний. Поэтому количество состояний фактически равно eэнтропия. Вернемся к графику на рис. 11.1, где число возможных состояний в нашей Вселенной с небольшой космологической постоянной, которая (Вселенная) представлена локальным минимумом на кривой, составляет .

Предположим, что поверхность горной вершины, с которой объект скатывается вниз к измерениям бесконечного радиуса, является таким исключительным местом, где существует только одно состояние, которое доставит вас точно на вершину. Поэтому вероятность посадки в этом конкретном месте среди всех других вероятностей исчезающе мала — порядка 1/. Вот почему время туннелирования через барьер является настолько большим, что мы даже не можем назвать его астрономическим.

Еще одно замечание: на рис. 11.2 мы представили сценарий декомпактификации, при котором наша Вселенная туннелирует до состояния с более низким значением энергии вакуума (или меньшей космологической постоянной), делая промежуточную остановку на ландшафте во время своего путешествия к конечной перестройке — бесконечным радиусам измерений. Но можем ли мы, туннелируя, отправиться обратно, к месту с более высокой энергией вакуума? Безусловно, катиться под гору намного проще. Можно показать это следующим рассуждением. Предположим, что имеется потенциальный минимум в точке А и отдельный минимум в точке В, причем точка А расположена выше, чем В, а следовательно, имеет большую энергию вакуума. Поскольку в точке A более высокая энергия, то сильнее и гравитация, и пространство в ней будет иметь более высокую кривизну. А если мы будем рассматривать это пространство как сферу, ее радиус будет меньше, поскольку сферы меньших размеров имеют большую кривизну, чем сферы больших размеров. Поскольку в точке B более низкая энергия, то гравитация будет слабее. Следовательно, пространство вокруг нее будет иметь меньшую кривизну. А если мы будем рассматривать это пространство как сферу, ее радиус будет больше, и поэтому она будет обладать меньшей кривизной. Мы проиллюстрировали некоторые аспекты этой идеи на рис. 11.3 (используя для А и В ящики, а не сферы), чтобы показать, что объект, вероятнее всего, путешествует вниз к ландшафту с более низкой энергий — от A к B, чем вверх. Для большей наглядности можно соединить два ящика тонкой трубкой. Эти два ящика со временем придут в равновесие и будут иметь одинаковую концентрацию, или плотность, газов, а количество молекул, переходящих из A в B, будет равно количеству молекул, переходящих из B в A.

Однако поскольку B намного больше, чем A, в нем намного больше молекул. Поэтому вероятность перехода любой отдельной молекулы из А в В намного больше, чем вероятность перехода отдельной молекулы из В в А. Аналогично, вероятность появления пузыря, который перенесет вас в место с низкой энергией на ландшафте, существенно выше, чем вероятность возникновения пузыря, который перенесет вас в обратном направлении (в гору), как и любая молекула с большей вероятностью совершит переход из ящика А в В.

В 1890 году Анри Пуанкаре опубликовал свою так называемую теорему о возвращении, которая утверждает, что любая система с фиксированным объемом и энергией, которую можно описать с помощью статистической механики, обладает характеристическим временем возвращения в исходное состояние, равным еэнтропия системы. Идея состоит в том, что такая система обладает конечным числом состояний — конечным количеством положений частиц и скоростей. Если вы будете стартовать с определенного состояния и ждать достаточно долго, то, в конце концов, достигнете всех состояний, подобно тому как частица или молекула в нашем ящике будет «брести, не разбирая дороги», отскакивая от стенок и двигаясь хаотически, со временем побывает в каждом из всех возможных мест ящика. Выражаясь научным языком, мы будем говорить не о возможных местах ящика, а о возможных состояниях в «фазовом пространстве». Тогда время, необходимое пространству-времени для декомпактификации, равно времени возвращения Пуанкаре — то есть еэнтропия, или  лет. Но, по мнению Клебана, в этом доказательстве существует одно слабое звено. «Мы еще не имеем статистическо-механического описания пространства де Ситтера». При этом мы априори предполагаем (что может оказаться правдой, а может, и нет), что такое описание возможно.

В настоящее время нам нечего добавить по этому вопросу, да и немногое сделано в этом направлении, за исключением, возможно, уточнения вычислений, оценок и повторной проверки нашей логики. Неудивительно, что немногие исследователи склонны работать в этом направлении и дальше, поскольку мы говорим о чрезвычайно теоретических событиях в сценариях, зависящих от модели, которые еще нельзя проверить, и сама возможность проверки появится не скоро. Работа в этом направлении вряд ли гарантирует предоставление грантов или получение молодыми исследователями признания у своих старших коллег и, что важнее, не гарантирует карьерного роста.

Гиддингс, уделявший этому предмету больше внимания, чем другие ученые, не впадает в отчаяние от явных признаков картины Судного дня. «Если брать положительную сторону, — пишет он в своей статье «The Fate of Four Dimensions» («Судьба четырех измерений»), — то распад может привести к состоянию, которое не разделяет конечную судьбу бесконечного разрежения», как это происходило бы в постоянно расширяющейся Вселенной, наделенной положительной космологической постоянной, которая действительно постоянна. «Можно искать утешение как в относительно долгой жизни нашей сегодняшней четырехмерной Вселенной, так и в том, что в перспективе ее распад приведет к состоянию, способному поддерживать интересные структуры, возможно, даже жизнь, хотя и сильно отличающуюся от нашей сегодняшней жизни».

Как и Гиддингса, меня особо не беспокоит судьба наших четырех, шести или даже десяти измерений. Как я уже упоминал ранее, исследования в этой области вызывают интерес и наводят на размышления, но они все же сильно гипотетические. Пока мы не получим данные астрономических наблюдений, которые подтвердят теорию, или, по крайней мере, не получим практических стратегий для проверки этих сценариев, я буду считать их больше научной фантастикой, чем наукой. Поэтому лучше не тратить время, беспокоясь о декомпактификации, а подумать о способах подтверждения существования дополнительных размерностей. Успех в этой области, на мой взгляд, будет более чем достаточен, чтобы перевесить потенциальный недостаток различных сценариев распада, которые могут, в конце концов, привести нашу Вселенную к плачевному концу — ни один из других финалов, если правильно подойти к ним, не станет выглядеть лучше.

На мой взгляд, развертывание скрытых измерений может стать самым впечатляющим зрелищем из всех когда-либо наблюдаемых, если его, конечно, можно будет наблюдать, хотя это выглядит чрезвычайно проблематично. Позвольте мне еще немного пофантазировать и предположить, что такой сценарий, в конце концов, будет реализован и что великий распад пространства-времени произойдет в некоторой точке в далеком будущем. В таком случае это будет прекрасным подтверждением (хотя и запоздалым) идеи, которой я посвятил лучшую часть своей карьеры. Жаль, что, когда наиболее потаенные места Вселенной, наконец, будут открыты, а космос полностью раскроет свое многомерное великолепие, рядом не будет никого, кто смог бы это оценить. А если кто-то и переживет великую трансформацию, то не будет фотонов, которые позволили бы это наблюдать. Не останется никого, кто мог бы отпраздновать успех этой теории, придуманной созданиями, называвшими себя людьми, в эпоху, известную как XX столетие, хотя правильнее относить ее к 137 000 000 столетию с момента Большого взрыва.

Такая перспектива особенно устрашает таких, как я, потративших десятилетия на решение проблемы геометрии шести внутренних измерений и объяснения ее людям (что еще труднее), которые находят все эти понятия заумными, если не абсурдными. Поскольку в тот момент истории Вселенной — момент великого космического «разматывания», глубоко скрытые сейчас дополнительные измерения больше не будут математической абстракцией, они перестанут быть дополнительными. Наоборот, они будут законной частью нового порядка, в котором все десять измерений будут существовать на равных, но вы никогда не узнаете, какое из них было когда-то свернутым, а какое — развернутым. Вас это не будет волновать. С десятью размерностями пространства-времени и шестью новыми направлениями жизнь получит столько возможностей, что мы не можем себе их даже представить.

www.referatmix.ru

Краткая история теории струн

В 1968 г. молодой физик-теоретик Габриэле Венециано корпел над осмыслением многочисленных экспериментально наблюдаемых характеристик сильного ядерного взаимодействия. Венециано, который в то время работал в ЦЕРНе, Европейской ускорительной лаборатории, находящейся в Женеве (Швейцария), трудился над этой проблемой в течение нескольких лет, пока однажды его не осенила блестящая догадка. К большому своему удивлению он понял, что экзотическая математическая формула, придуманная примерно за двести лет до этого знаменитым швейцарским математиком Леонардом Эйлером в чисто математических целях — так называемая бета-функция Эйлера, — похоже, способна описать одним махом все многочисленные свойства частиц, участвующих в сильном ядерном взаимодействии. Подмеченное Венециано свойство давало мощное математическое описание многим особенностям сильного взаимодействия; оно вызвало шквал работ, в которых бета-функция и ее различные обобщения использовались для описания огромных массивов данных, накопленных при изучении столкновений частиц по всему миру. Однако в определенном смысле наблюдение Венециано было неполным. Подобно зазубренной наизусть формуле, используемой студентом, который не понимает ее смысла или значения, бета-функция Эйлера работала, но никто не понимал почему. Это была формула, которая требовала объяснения. Положение дел изменилось в 1970 г., когда Йохиро Намбу из Чикагского университета, Хольгер Нильсен из института Нильса Бора и Леонард Сасскинд из Станфордского университета смогли выявить физический смысл, скрывавшийся за формулой Эйлера. Эти физики показали, что при представлении элементарных частиц маленькими колеблющимися одномерными струнами сильное взаимодействие этих частиц в точности описывается с помощью функции Эйлера. Если отрезки струн являются достаточно малыми, рассуждали эти исследователи, они по-прежнему будут выглядеть как точечные частицы, и, следовательно, не будут противоречить результатам экспериментальных наблюдений. Хотя эта теория была простой и интуитивно привлекательной, вскоре было показано, что описание сильного взаимодействия с помощью струн содержит изъяны. В начале 1970-х гг. специалисты по физике высоких энергий смогли глубже заглянуть в субатомный мир и показали, что ряд предсказаний модели, основанной на использовании струн, находится в прямом противоречии с результатами наблюдений. В то же время параллельно шло развитие квантово-

Глава б. Только музыка, или Суть теории суперструн 97

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»2). Одна из проблем, с которыми физики сталкивались в теории струн, состояла в том, что она, как казалось, предоставляла слишком богатый выбор, что сбивало с толку. Некоторые конфигурации колеблющихся струн в этой теории имели свойства, которые напоминали свойства глюонов, что давало основание действительно считать ее 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 ее применения. Шерк и Шварц объявили, что теория струн — это не просто теория сильного взаимодействия, это квантовая теория, которая, помимо всего прочего, включает гравитацию3).

Физическое сообщество отреагировало на это предположение весьма сдержанно. В действительности, по воспоминаниям Шварца, «наша работа была проигнорирована всеми»4). Пути прогресса уже были основательно захламлены многочисленными провалившимися попытками объединить гравитацию и квантовую механику. Теория струн потерпела неудачу в своей первоначальной попытке описать сильное взаимодействие, и многим казалось бессмысленным пытаться использовать ее для достижения еще более великих целей. Последующие, более детальные исследования конца 1970-х и начала 1980-х гг. показали, что между теорией струн и квантовой механикой возникают свои, хотя и меньшие по масштабам, противоречия. Создавалось впечатление, что гравитационная сила вновь смогла устоять перед попыткой встроить ее в описание мироздания на микроскопическом уровне.

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

Я начал работу в аспирантуре Оксфордского университета в октябре 1984 г. Хотя я был восхищен раскрывавшимися передо мной достижениями квантовой теории поля, калибровочной теории и общей теории относительности, среди моих старших коллег-аспирантов было распространено скептическое убеждение, что большая часть от-

98 Часть III. Космическая симфония

крытий физики элементарных частиц уже сделана. Была разработана стандартная модель, и замечательный успех, с которым она предсказывала результаты экспериментов, оставлял мало сомнений в том, что ее полное подтверждение является делом не слишком отдаленного будущего. Выход за ее пределы для включения гравитации и возможного объяснения экспериментальных данных, на которых базируется эта модель (т.е. 19 чисел, характеризующих массы элементарных частиц, их константы взаимодействия и относительную интенсивность взаимодействий, известных из результатов экспериментов, но не объясненных теоретически), казался такой непосильной задачей, что лишь самые бесстрашные исследователи отваживались принять этот вызов. Однако спустя всего шесть месяцев настроения радикально изменились. Весть об успехе Грина и Шварца, в конце концов, дошла даже до аспирантов первого года обучения, и на смену прежнему унынию пришло возбуждающее ощущение причастности к поворотному моменту в истории физики. Многие из нас засиживались глубоко за полночь, штудируя увесистые фолианты по теоретической физике и абстрактной математике, знание которых необходимо для понимания теории струн.

Период с 1984 по 1986 гг. теперь известен как «первая революция в теории суперструн». В течение этого периода физиками всего мира было написано более тысячи статей по теории струн. Эти работы окончательно продемонстрировали, что многочисленные свойства стандартной модели, открытые в течение десятилетий кропотливых исследований, естественным образом вытекают из величественной системы теории струн. Как заметил Майкл Грин, «момент, когда вы знакомитесь с теорией струн и осознаете, что почти все основные достижения физики последнего столетия следуют — и следуют с такой элегантностью — из столь простой отправной точки, ясно демонстрирует вам всю невероятную мощь этой теории»5'. Более того, для многих из этих свойств, как мы увидим ниже, теория струн дает гораздо более полное и удовлетворительное описание, чем стандартная модель. Эти достижения убедили многих физиков, что теория струн способна выполнить свои обещания и стать окончательной объединяющей теорией.

Однако на этом пути занимавшиеся теорией струн физики снова и снова натыкались на серьезные препятствия. В теоретической физике часто приходится иметь дело с уравнениями, которые либо слишком сложны для понимания, либо с трудом поддаются решению. Обычно в такой ситуации физики не пасуют и пытаются получить приближенное решение этих уравнений. Положение дел в теории струн намного сложнее. Даже сам вывод уравнений оказался столь сложным, что до сих пор удалось получить лишь их приближенный вид. Таким образом, физики, работающие в теории струн, оказались в ситуации, когда им приходится искать приближенные решения приближенных уравнений. После нескольких лет поражающего воображение прогресса, достигнутого в течение первой революции теории суперструн, физики столкнулись с тем, что используемые приближенные уравнения оказались неспособными дать правильный ответ на ряд важных вопросов, тормозя тем самым дальнейшее развитие исследований. Не имея конкретных идей по выходу за рамки этих приближенных методов, многие физики, работавшие в области теории струн, испытали растущее чувство разочарования и вернулись к своим прежним исследованиям. Для тех, кто остался, конец 1980-х и начало 1990-х гг. были периодом испытаний. Красота и потенциальная мощь теории струн манили исследователей подобно золотому сокровищу, надежно запертому в сейфе, видеть которое можно лишь через крошечный глазок, но ни у кого не было ключа, который выпустил бы эти дремлющие силы на свободу. Долгий период «засухи» время от времени прерывался важными открытиями, но всем было ясно, что требуются новые методы, которые позволили бы выйти за рамки уже известных приближенных решений.

Конец застою положил захватывающий дух доклад, сделанным Эдвардом Виттеном в 1995 г. на конференции по теории струн в университете Южной Калифорнии — доклад, который ошеломил аудиторию, до от-

Глава б. Только музыка, или Суть теории суперструн 99

каза заполненную ведущими физиками мира. В нем он обнародовал план следующего этапа исследований, положив тем самым начало «второй революции в теории суперструн». Сейчас специалисты по теории струн энергично работают над новыми методами, которые обещают преодолеть встреченные препятствия. Трудности, которые лежат впереди, будут серьезным испытанием для ученых, работающих в этой области, но в результате свет в конце тоннеля, хотя еще и отдаленный, может стать видимым.

В этой и в нескольких последующих главах мы опишем открытия теории струн, явившиеся результатом первой революции и поздних исследований, выполненных до начала второй революции. Время от времени мы будем упоминать достижения, сделанные в ходе второй революции; подробное описание этих новейших достижений будет приведено в главах 12 и 13.

studfiles.net

Краткий курс теории струн. Есть ли она в игре? — BioShock Infinite — Игры — Gamer.ru: социальная сеть для геймеров

Для того чтобы найти следы теории струн в игре надо понять, что представляет собой эта теория, и о чем она говорит. Надо сразу сказать, что теория суперструн – самая современная и модная теория в современной физике, это не общая или специальная теория относительности и не квантовая механика. Это нечто другое, но в ней есть элементы этих теорий.

Краткий курс теории струн. Есть ли она в игре?

Начнем немного издалека, с истории поиска теории, объясняющей все законы Вселенной, и трех конфликтов в физике 20 века.

Поиски единой теории и три конфликта современной физики

Физики всегда искали единую теорию, “Теорию всего сущего”, которая смогла бы объяснить всё происходящее в нашей вселенной. Все ее физические законы и эффекты, явления и взаимодействия в окружающем нас мире.

Такую теорию объединения в начале 20 века пытался найти еще Эйнштейн, он искал ее три десятилетия, но так и не смог найти ее. Он пытался построить единую теорию поля, построить здание уравнений и теорем, законов, которое бы описывало все силы и взаимодействия природы вселенной, и все составные элементы материи. Но потерпел в этом деле неудачу.

Но сегодня (в конце 20 века и начала 21-го) следы и нити этого единого полотна наконец-то вроде бы найдены в лице теории струн. Но мы забегаем вперед.

Современная физика, в основном, покоится на двух столпах; один из них – общая теория относительности Эйнштейна, другой – квантовая механика.

Первая теория пытается дать теоретическую основу для понимания вселенной в наиболее крупных масштабах – звезд, галактик, скоплений галактик и даже самой вселенной.

Другая теория теоретически описывает происходящее с атомами и элементарными частицами внутри них – кварками и электронами и т.д.

При этом две эти теории можно использовать по отдельности, но они не могут быть справедливы одновременно. Выходит, что они являются взаимно несовместимыми друг с другом.

Почему же так происходит? Физики на переднем крае познания изучают либо объекты малые и легкие, либо объекты громадные, массивные и очень протяженные, но не одновременно, оба класса объектов.

Но, например, когда в центрах черных дыр чудовищные массы сжимаются до микроскопических объемов или когда требуется рассмотреть момент Большого Взрыва, это противоречие очень и очень начинает мешать. Здесь встречаются объекты микроскопические, но одновременно ужасно массивные, и поэтому они попадают под прицел обоих теорий.

Объединение уравнений этих двух теорий (ОТО и квантовой механики) приводит к бессмысленным ответам на корректно поставленные вопросы. Враждебность между общей теорией относительности и квантовой механикой свидетельствовало о том, что нужно выработать теорию более глубокого уровня понимания. Найти те уравнения, которые бы объединили две теории или, по крайней мере, примирили их.

Возможно ли, чтобы Вселенная была разделена на наиболее фундаментальном уровне, требуя одного набора законов для больших объектов и другого, несовместимого с первым, для малых?

Теория струн как единая теория всего? Почему бы нет.

Относительно молодая теория суперструн, отвечает на этот вопрос, что нет, этого не требуется.

Новый подход теории суперструн к описанию материи на фундаментальном уровне устраняет конфликт между общей теорией и квантовой механикой. Наоборот, эта теория говорит о том, что две эти теории необходимы друг другу для того, чтобы теоретические построения обрели смысл.

Эта обширная и глубоко копающая под основы мироздания теория затрагивает важные вопросы мироздания. Она пытается объединить законы микромира и макромира. Описать происходящий величавый неспешный танец звезд и галактик от начального Большого Взрыва на самых дальних просторах космоса, и кипение квантовой пены вероятностей в мельчайших областях микромира, где мечутся, как мальки, элементарные частицы; кварки и субкварковые частицы – глюоны-бозоны, мезоны-лептоны.

Теория струн способна показать, что все события во вселенной являются отражением одного великого физического принципа, одного главного «уравнения».

Противоречие между общей теорией относительности и квантовой механикой было уже третьим поворотных конфликтов физики прошлого века, разрешение которых радикально изменяли наше представление о законах Вселенной.

Первый конфликт в современной физике произошел еще в конце 19 века и был связан с загадочными свойствами распространения света.

В соответствии с законами Ньютона если бежать достаточно быстро, то можно догнать луч света, тогда как, согласно законам электромагнетизма Максвелла, это сделать невозможно.

Эйнштейн разрешил это противоречие в своей специальной теории относительности, изменив при этом, возможно, полностью наше представление о пространстве и времени.

Пространство и время по Эйнштейну, это податливые конструкции, форма и характеристики которых зависят от состояния движения наблюдателя.

Второй конфликт в физике. Но согласно этой теории ничто; никакой объект или никакое взаимодействие, поле не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость света.

Но при этом универсальная теория гравитации Ньютона, подтверждаемая экспериментально и так понятная интуитивно, включает в себя взаимодействия, которые мгновенно распространяются на огромные расстояния в пространстве.

И снова великий гений Эйнштейна, кажется, нашел выход из этого затруднения. Он в 1915 году (а не напоминает ли это нам о некоторой дате в игре?) предложил новую концепцию тяготения в своей общей теории относительности. Теперь пространство и время зависят не только от состояния движения наблюдателя, они также могут деформироваться и искривляться в ответ на присутствие вещества и энергии. Именно такие деформации структуры пространства и времени передают силу тяжести из одного места в другое.

Пространство и время, теперь, это не статичные декорации для происходящих событий Вселенной, они, согласно специальной и общей теории относительности, сами непосредственно участвуют во всех событиях.

Но создание общей теории относительности, разрешив одно противоречие, породило другое. Одновременно, начиная с 1900 года, три десятилетия физики развивали квантовую механику, чтобы решить нескольких проблем, возникших при попытке применить старые понятия 19 века к событиям в микромире. Эта теория была развита, ее уравнения очень хорошо и почти многое объясняли. Но только происходящее в микромире.

Появилось третье, самое глубокое противоречие в современной физике – несовместимость общей теории относительности и квантовой механики.

Гладкая искривленность пространства в общей теории относительности находится в противоречии с вытекающим из квантовой механики неистовым вихревым и случайным поведением Вселенной на микроуровне.

До середины 1980-х годов, когда теория суперструн разрешила этот конфликт, он был центральной проблемой современной физики и занимал умы многих теоретиков.

Теория струн, построенная с использованием методов общей и специальной теории относительности, потребовала снова кардинального пересмотра понимания устройства Вселенной, наших представлений о пространстве времени и материи.

Итак, что мы знаем о микроскопической структуре Вселенной?

Еще древние греки предположили, что все вещество состоит из мельчайших “неделимых” частиц, которые они назвали атомами. И все вещество, все разнообразие материальных объектов можно “построить” путем соединения различных таких строительных блоков. Как все слова можно создать из небольшого числа букв алфавита. Спустя больше 2000 лет, хотя мы и несколько раз пересматривали вид этих фундаментальных блоков, но считаем его верным. Несмотря на то, что атомы уже давно считаются “делимыми”, это название за ними так и осталось.

В 30-х годах 20-го века правильной считалась солнечная модель строения атома; из ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и летающих вокруг него по своим орбитам электронов. Некоторое время многие физики считали электроны, протоны и нейтроны этакими финальными атомами. Но в 1968 году было доказано, что ни протоны, ни нейтроны, или электроны не являются фундаментами строения материи. Оказалось, что они сами состоят из трех частиц меньшего размера – кварков. Сами кварки первоначально делились на два типа; u- и d-. Потом появились еще несколько видов кварков. Но была масса данных, что Вселенная содержит дополнительные компоненты.

В середине 50-х годов открыли четвертый тип элементарных частиц – нейтрино. Потом был открыт мюон. Продолжая исследовать результаты столкновения космических лучей с мишенями в пузырьковых камерах, или разгоняя элементарные частицы в установках, продолжали открывать новые виды этих крошечных кирпичиков материи, так были открыты еще и c-, s-, t-, b- разновидности кварков, их «цвета» и то что они могут быть “очарованными”. Открыли еще кучу еще порой странных короткоживущих элементарных частиц, например, более тяжелого родственника электрона – тау-лептона. Потом были открыты еще два вида нейтрино – мюонное и тау-лептонное в отличие от обычного нейтрино, названного электронным. Также оказалось, что у каждой элементарной частицы есть своя античастица, которая, встретившись со своим двойником, аннигилируется в чистую энергию или фотоны.

В конце концов, открыв множество элементарных частиц, ученые выделили три их семейства. Каждое такое семейство состоит из двух кварков, электрона или его родственника и одного из типов нейтрино.

Почему же Вселенной требуется так много фундаментальных частиц? Если для подавляющего большинства окружающих нас тел требуется только электроны, u-кварки и d-кварки. Почему семейств именно три? Почему не одно или четыре? Почему такой разброс характеристик элементарных частиц? Все это кажется игрой простого случая. Или все же это распределение имеет под собой какое-то основание, правило или закон?

Взаимодействия

Картина микромира и всей вселенной усложняется, если рассматривать еще существующие в природе взаимодействия.

Все силы в природе можно свести к четырем типам взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому. Теперь, каждому взаимодействию соответствует своя частица - переносчик – квант взаимодействия. Электромагнитному соответствует фотон, слабому – слабый калибровочный бозон, сильному - глюон. А вот гравитационное должен переносить гравитон, но он пока не обнаружен.

Можно спросить, почему именно четыре взаимодействия? Почему слабое и сильное взаимодействие имеют ограниченный радиус действия, а гравитационное и электромагнитное неограниченную область действия? Почему самое мощное из них – электромагнитное? А гравитационное в 1042 слабее его. В свою очередь сильное сильнее электромагнитного в тысячу раз, и сто тысяч сильнее слабого, но эти два последних взаимодействия действуют только в микроскопическом объеме. Эти отношения и определяют законы нашей вселенной. Но почему это именно так? Вот что интересно.

Теория струн дает единый способ объяснения свойств всех взаимодействий и всех видов материи.

Главная концепция теории струн

Краткий курс теории струн. Есть ли она в игре?

Теория струн утверждает, что мельчайшие частички материи – кварки и другие элементарные частицы являются не точечными нульмерными объектами, а крошечными одномерными петлями.

Внутри каждой частицы – вибрирующее колеблющее пляшущее волокно, подобное бесконечно тонкой резиновой ленточке, которое и называют струной.

В одной из теорий струн рассматриваются также и открытые струны – то есть незамкнутые струны со свободными концами.

Краткий курс теории струн. Есть ли она в игре?

Теория струн добавляет новый микроскопический уровень – колеблющуюся струну – к иерархии строения материи. Именно такая замена точечных элементарных компонентов материи струнами приводит к устранению противоречий между квантовой механикой и общей теорией относительности.

Длина типичной петли, образованной струной, близка к планковской длине, которая в 10 в 20 ст. меньше размера атомного ядра. Размеры струны бесконечно малы даже в масштабе субатомных частиц.

И все наблюдаемые свойства элементарных частиц являются проявлением различных типов колебаний струн. Петли в теории струн имеют резонансные частоты, как у струн музыкальных инструментов, когда мы слышим звуки разной высоты, определенной музыкальной ноты.

Так электрон представляет один вид колебания струны, d-кварк – другой и так далее.

Вместо набора разрозненных характеристик свойства частиц в теории струн представляют собой проявления одного и того же физического свойства; резонансных мод колебаний – музыки фундаментальных петель струны.

Частицы, переносящие взаимодействия, также связаны с определенными модами колебания струны и, следовательно, все – вся материя и все взаимодействия объединяются под одной и той же рубрикой колебаний микроскопических струн.

В теории струн такие детали и особенности как число независимых фундаментальных частиц и их свойства являются следствием неотъемлемых характеристик геометрии Вселенной.

Микроскопическая структура нашей Вселенной представляет собой сложно переплетенный многомерный лабиринт, в котором струны Вселенной бесконечно закручиваются и вибрируют, ритмично отбивая законы космоса. Свойства основных кирпичиков мироздания, – будучи совсем не случайными – глубоко связаны со структурой пространства и времени.

Но пока нет возможности экспериментально подтвердить эту теорию, и она остается чисто умозрительной затеей высоколобых ученых, которые пришли в экстаз, когда смогли додуматься до такой гипотезы. Или ее можно проверить? Не знаю, наверно, пока сложно это сделать.

Но почему же именно струны, а не микроскопические диски или каплевидные ядрышки? Или какая-нибудь комбинация этих тел? Последние достижения в теории струн показывают, что и эти перечисленные компоненты играют важную роль. И что теория струн является частью более сложного грандиозного синтеза, под названием – М-теория, которая рассматривает и такие предположения.Немного историиВНачало разработки теории струн было положено в 1968-70-х годах, когда высказанная Габриеле Венециано теория суперструн сначала встретила сдержанный отклик и была даже на время отправлена в мусорную корзину несостоявшихся теорий. И все, потому что она применялась только для сильного взаимодействия, но потом когда ее смогли применить и для гравитационного взаимодействия, ее заметили.

В 1984 г. была опубликована статья Грина и Шварца, в которой они показали, что она может применяться для всех четырех взаимодействий и всех видов материи. С 1984 по 1986 год произошла первая революция в теории суперструн.

В 1995 году Эдвардом Виттеном была начата вторая революция в теории струн. Он предложил рассматривать не только одномерные струны, но компоненты более большей размерности – элементы похожие на двумерные тарелки-фрисби и трехмерные капли, и более экзотические конструкции.

В 1997 году Хуан Малдасена обнаружил взаимосвязь между теорией струн и калибровочной теорией, которая называется N=4 суперсимметричная теория Янга — Миллса.

А сейчас перед теоретиками встает проблема ландшафта теории струн.

Если рассмотреть колебания скрипичной струны, то каждая струна музыкального инструмента может совершать огромное число различных колебаний под названием резонансных колебаний. Это колебания, у которых расстояние между максимумами и минимумами одинаково, и между закрепленными концами укладывается точно целое число максимумов и минимумов. Эти резонансные колебания человеческое ухо улавливает как различные музыкальные ноты. Так и струны в теории струн могут осуществлять резонансные колебания, в которых вдоль длины струны укладывается в точности целое число равномерно распределенных максимумов и минимумов.

Краткий курс теории струн. Есть ли она в игре?

Точно так же, как различные моды резонансных колебаний скрипичных струн рождают различные музыкальные ноты, различные моды колебаний фундаментальных струн порождают различные массы элементарных частиц и константы взаимодействий.

Согласно теории струн масса элементарной частицы определяется энергией колебания внутренней струны этой частицы. Внутренние струны более тяжелых частиц совершают более интенсивные колебания, струны легких частиц колеблются менее интенсивно.

Краткий курс теории струн. Есть ли она в игре?

Поскольку масса частицы определяет ее гравитационные характеристики, существует прямая связь между модой колебания струны и откликом частицы на действие гравитационной силы.

Также есть соответствия между иными характеристиками колебания и реакцией на другие взаимодействия. Электрический заряд, константы слабого и сильного взаимодействия, которые несет частица, в точности определяются типом колебания ее внутренней струны.

Поэтому фотоны, калибровочные бозоны слабого взаимодействия и глюоны представляют собой всего лишь иные моды колебаний струн.

Если раньше считалось, что различные элементарные частицы как бы нарезаны из разного материала, от разных кусков материи, то теперь оказалось, что «материал» всего вещества и всех взаимодействий является одним и тем же. Все струны внутри разных элементарных частиц идентичные. Различия между частицами обусловлены различными модами резонансных колебаний этих струн.

Спин в теории струн

Для полноты картины надо рассмотреть еще такое понятие как спин. Элементарные частицы, например электрон, могут вращаться вокруг атомных ядер, подобно тому, как Земля вращается вокруг Солнца. Может показаться, что в традиционной точечной модели электрона нет аналога вращению Земли вокруг своей оси. Потому что если объект точечный, то у него нет других точек, не лежащих на оси и которые должны оставаться неподвижными. Поэтому казалось, что понятия вращение точечного объекта попросту нет.

Но в 1925 году было осознано, что некоторые удивительные результаты, относящиеся к свойствам излучаемого и поглощаемого атомами света, могут быть объяснены, если предположить что электроны обладают некоторыми весьма специфичными магнитными свойствами. Голландские физики Джордж Уленбек и Сэмюель Гоудсмит исследовали этот эффект и установили что к появлению таких магнитных свойств может привести только один вид движения – вращательное – спин электрона. Выходит, что электрон может одновременно кружиться вокруг атомного ядра и вращаться вокруг собственной оси.

Оказалось, что есть квантово-механическое понятие спина, которое напоминает вращение объекта вокруг своей оси, но которое, по сути, представляет собой квантово-механическое явление. Или квантово-механическая мера скорости вращения частиц.

Каждый электрон во Вселенной всегда вращается с постоянной и никогда не меняющейся скоростью. Спин электрона не является промежуточным движением, которое можно увидеть у привычных объектов, по тем или иным причинам пришедших во вращение. Спин электрона является внутренним, присущим электрону свойством, как масса и заряд.

Потом выяснилось, что понятие спина применимо ко всем частицам вещества, образующих три семейства. Все частицы вещества (и их античастицы) имеют спин, равный спину электрона, равный ½, их называют фермионами.

В свою очередь частицы, передающие негравитационные взаимодействия – фотоны, слабые калибровочные бозоны и глюоны обладают спином в два раза больше, чем спин частиц вещества и равный 1, эти частицы называют бозонами. А вот пока гипотетический гравитон должен обладать спином равным 2.

В теории струн этому обстоятельству тоже находится очень хорошее подтверждение, в спектре колебаний струн присутствуют моды, которые соответствую частицам со спинами ½, 1 и 2.

Суперсимметрия в теории струн

Первая теория, базировавшая на концепции струн, называлась теорией бозонных струн. Все моды колебаний бозонной струны обладали целочисленным спином. Тогда как известные частицы вещества обладали нецелочисленным (фермионным) спином ½. Одновременно в этой теории существовала еще одна мода (или элементарная частица) с отрицательным квадратом массы – так называемый тахион. Такая возможность рассматривалась физиками, но построить непротиворечивую теорию включающую тахионы чрезвычайно трудно, если вообще возможно. Эти две проблемы показали, что в этой теории не хватает каких-то существенных элементов.

В 1971 году теория струн была модернизирована и в нее были включены фермионные моды колебаний. Бозонные и фермионные моды колебаний входили в новую теорию парами. Новая теория включала суперсимметрию, и то, что бозонные и фермионные моды входили в нее парами, было отражением высокой степени симметрии этой теории. Поэтому ее назвали суперсимметричная теория струн или теория суперструн. В ней также отсутствовала отрицательная мода струн, что очень порадовало теоретиков.

Но в суперсимметричной теории струн появилась проблема изобилия теорий, представляющих струны внутри элементарных частиц.

Представьте себе такую ситуацию, что одно и то же событие можно объяснить пятью разными версиями произошедшего, и все они будут совершенно правильно описывать происшедшее, за исключением мелких подробностей.

Теория струн – глубокая и сложная теоретическая структура, в которой есть еще непочатый край работы, и она продолжает развиваться. Она претендует на место единой теории, которая может объяснить все фундаментальные особенности, лежащие в основе строения Вселенной. Но, на данный момент, теорий струн пять, и они не полностью доработаны, и вообще есть более общий синтез теорий – М-теория, в которую входят как ее составная часть, несколько ветвей теории струн (да-да, теорий струн несколько).

М-теория

Краткий курс теории струн. Есть ли она в игре?

Суперсимметрия, являющаяся центральным звеном теории струн, могла быть включена в нее пятью различными способами. Каждый метод приводил к образованию пар бозонных и фермионных мод колебаний, но детали такой группировки, а также многочисленные другие свойства получавшихся теорий, существенно различались.

Итак, вот пять теорий: теория струн типа I, теория струн IIa, теория струн IIb, теория гетеротических струн O(32) (“о тридцать два”), теория гетеротических струн E8xE8 (“е восемь на е восемь”). Эти теории различаются в тонких деталях. Имелось пять версий “теории всего сущего”, но которые, оказалось, входят в одну теорию, это пять различных способов описания одной и той же объединяющей теории – синтеза теорий под названием М-теория.

Помимо пяти вышеуказанных теорий струн в М-теорию была включена и теперь входит в нее 11-мерная супергравитация.

М-теория рассматривает одиннадцать измерений (десять пространственных и одно временное). Одно дополнительное измерение по сравнению с теориями струн позволяет объединить все эти теории.

Во-вторых, М-теория кроме колеблющихся струн включает и другие объекты: колеблющиеся двумерные мембраны и трехмерные капли (3-браны), а также и многие другие составляющие.

Измерений больше, чем видит глаз

Большинство из нас считает, что наша Вселенная имеет всего три пространственных измерения и одно временное, но, согласно теории струн, это неверно. Теория струн утверждает, что Вселенная имеет гораздо больше измерений, но все дополнительные измерения туго скручены и спрятаны в складчатой микроструктуре пространства. Она предполагает, что дополнительных измерений может быть 7, а в итоге измерений вселенной всего 11 (одиннадцать).

Краткий курс теории струн. Есть ли она в игре?

В современной физике есть идея квантовой вселенной имеющей скрытые размерности. Эти размерности свернуты в крохотные петли, спрятанные на планковских размерах 10 в -33 ст. см.

Структура пространства нашей Вселенной, по представлениям физиков, может содержать как протяженные, так и свернутые измерения. Есть измерения, которые являются просторными, протяженными и легкодоступными для наблюдения. Но одновременно Вселенная может содержать и дополнительные пространственные измерения, которые туго скручены в ничтожно малой области – столь малой, что она не может быть обнаружена даже с помощью самого современного оборудования.

Можно рассмотреть это на примере обычного очень длинного шланга, который натянут между двумя вершинами гор или сторонами каньона. Издалека этот шланг кажется одномерным объектом, как нить, но если рассмотреть его вблизи, можно увидеть что он имеет еще один, пускай относительно малый, размер по окружности, обхват. То есть он является двумерным объектом, его поверхность имеет одну размерность – очень заметную и протяженную, и другую размерность в форме окружности, которую можно увидеть при большом приближении.

Так и ткань пространства может быть похожа на ковер с ворсом, свернутым в циклические колечки в каждой точке и спрятанным в самых малых областях. Или если говорить о трехмерном пространстве, то на некий туман, в микрообластях, в каждой точке, которого парят свернутые дополнительные семь измерений.

Для чего же нужны эти дополнительные измерения в теории струн? Уравнения этой теории, описывающие характеристики элементарных частиц, для того чтобы полностью и правильно описать эти характеристики требуют, чтобы Вселенная имела скрытые дополнительные измерения.

Геометрия дополнительных измерений определяет фундаментальные физические свойства, такие как масса и заряды и спины частиц, которые мы наблюдаем в нашем обычном трехмерном пространстве. Струны обязаны колебаться в нескольких независимых измерениях, как минимум девяти, и не только в обычных нам видимых. Эти колебания нужны для того, чтобы объяснить возникновение именно тех имеющихся свойств и характеристик, а также наблюдаемого числа элементарных частиц. С другой стороны то, что дополнительные измерения свернуты, оказывает такое же влияние на колебания струн, как например стены канала или его мели и дно на форму обычных волн в воде. Они ограничивают колебания струн, что приводит к формированию именно тех самых наблюдаемых свойств и характеристик вещества и взаимодействий в нашей Вселенной.

Возможно, что в момент Большого Взрыва все пространственные и временное измерение были свернуты, и потом три пространственных и одно временное измерение развернулось, а все остальные остались свернутыми.

Дополнительные измерения не могут быть свернуты произвольным способом, уравнения теории струн значительно ограничивают геометрическую форму, которую они могут принимать. Этим условиям удовлетворяют один класс шестимерных геометрических объектов – пространства Калаби-Яу (или многообразий Калаби-Яу).

Краткий курс теории струн. Есть ли она в игре?

Итак, в каждой точке нашего трехмерного пространства тихо и мирно покоятся такие вот клубки свернутых измерений. Такой способ запрятать измерения и не замечать их, называется компактификацией.

Хотя есть и другой более сложный способ применить и спрятать дополнительные измерения в нашей Вселенной, это локализация. Он состоит в том, что дополнительные измерения не так уж малы, но все частицы нашего мира локализованы на четырёхмерном листе в многомерной вселенной (мультивселенной) и не могут его покинуть. Этот четырёхмерный лист (брана) и есть наблюдаемая часть мультивселенной. Поскольку мы, как и вся наша техника, состоим из обычных частиц, то мы в принципе неспособны взглянуть вовне.

Создав общую теорию относительности, Эйнштейн связал физику тяготения с геометрией пространства-времени. Теория струн укрепляет и расширяет связь между физикой и геометрией: свойства колеблющихся струн (например, масса и переносимые ими заряды) в значительной мере определяются свойствами свернутой компоненты пространства. Но есть свои особенности этой геометрии нескольких размерностей и того в каких измерениях колеблется струна зависит характеристики элементарных частиц, а значит и законы нашей Вселенной.

Разрывы пространства-времени

(Это относительно разрывов в игре)

Общая теория относительности отвечает на вопрос о возможном разрыве структуры пространства отрицательно.

Уравнения ОТО основаны на римановой геометрии, которая позволяет проанализировать искажения свойств расстояний между соседними точками пространства. Чтобы формулы для расстояний были осмысленными в математическом формализме, требуется гладкость самого пространства. Без складок и проколов, без отдельных нагроможденных друг на друга кусков, без разрывов.

Если бы в структуре пространства существовали бы такие нерегулярности уравнения ОТО нарушались бы, оповещая о космической катастрофе того или иного рода.

Конечно, есть теории и идеи о пространственных червоточинах, подпространственных туннелях и проколах пространства вблизи и внутри черных дыр.

Но тогда при создании червоточины или туннеля должно создаваться новое пространство самой червоточины-туннеля, не принадлежащее существующему пространству.

А в черных дырах пространство из-за сильного гравитационного искривления выглядит проколотым в центре дыры.

Одно время была даже теория о белых дырах в другой Вселенной, откуда изливается вещество, поглощенное в нашей вселенной. Но было открыто, что черные дыры все же теряют свою массу при некоторых физических явлениях.

В теории струн демонстрируется возможность разрыва ткани пространства при определенных физических явлениях (в некоторых отношениях, отличных от явлений пространственных червоточин и черных дыр). Было доказано, что эти разрывы могут происходить в дополнительном шестимерном пространстве Калаби-Яу внутри микроскопических областей. Но могут ли быть они в нашем трехмерном пространстве? Может быть, наука пока не может дать точных ответов на этот вопрос. Если такие разрывы и существуют, то они пока не замечены.

В теории струн пытаются применить почти все известные принципы и теории физики, например, принцип суперсимметрии или если говорить о физических теориях, например теорию возмущений или теорию дуальности. Это порой очень помогает, но иногда и запутывает понимание.

Предварительные выводы из узнанного

Итак, присутствует ли теория струн в игре? Она присутствует если только в виде выводов из выводов из нее. Сама, нет.

Краткий курс теории струн. Есть ли она в игре?

Квантовый эффект зависания атомов, или "квантовый захват, потоковая блокировка или flux pinning", открытый Розалиндой Лютес? На то он и квантовый. Он, скорее, похож на электромагнитный эффект, но только с использованием гравитационного взаимодействия. Вместо магнитных линий из тела вытесняется гравитационное поле (я так это понял). Но! Как и писалось, гравитационное взаимодействие в 10 в 42 ст. слабее электромагнитного, поэтому эффекта от этого эффекта не хватит на поднятие Колумбии в воздух. С использованием надувных аэростатов и подъемной силы от винтов, как это показано в игре, возможно.

Разрывы, открываемые Элизабет? Так как теория струн не исключает таких аномалий в пространстве-времени, может быть. Но скорее это относится к теории множественных вселенных или миров, которая не имеет отношение к теории струн.

Путешествие во времени или между параллельными ветками времени, как это происходит у Букера-Комстока.. этого в теории струн нет.

Разделение между двумя-тремя сущностями, в примере с убитыми солдатами полицейскими после входа Букера и Элизабет в разрывы, это похоже на теорию волн де Бройля. В этой теории все частицы и материальные тела можно представить в виде пакета волн, солитонов, и они могут проникать сквозь друг друга, не пересекаясь.

Что еще осталось? Какие еще передовые физические эффекты мы видим в игре? Рассмотрим их в другом посту.

Вообще теория струн, вместе с М-теорией, это пока просто игрушка теоретиков, которую пока сложно подтвердить или опровергнуть. И пока сложно предполагать какие-либо физические эффекты на ее основе.

Видеодополнение к посту, для тех, кто лучше воспринимает информацию на слух

Вообще по представленной книге выходил фильм, да и на Youtube можно найти всевозможные ролики на эту тему.

Универсальный закон вселенной. Часть вторая

Биошок Инфинит и теория струн для чайников

Наука Биошок Инфинит

_____________________________________________________________________________________________

Пост приготовлен для Дня Авторского Поста. Это реферат хорошей книги научного популяризатора Брайана Грина "Элегантная вселенная: Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории", с добавлением некоторой информации из других источников. Если эта экспериментальная лекция вызовет интерес, возможно, рассмотрю и другие теории в игре. Ну а пока... до следующего поста.

www.gamer.ru

Теория супер струн — реферат

Министерство образования  Российской Федерации

ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ТОМСКОГО ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

                                                                                  Кафедра

                                                                                  ЕНО

 Тема: «Теория суперструн»

                       Выполнил: студентка

Проверил:

Юрга 2010

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………....…3

1 ТЕОРИЯ СУПЕРСТРУН: В ПОИСКАХ  ВЫХОДА ИЗ КРИЗИСА……...5

2 КАК И ПОЧЕМУ ПОЯВЛЯЮТСЯ СТРУНЫ?............................................6

3 СКОЛЬКО СУЩЕСТВУЕТ РАЗЛИЧНЫХ  ТЕОРИЙ СТРУН?……..........8

4 НОВАЯ КАРТИНА СТРУННОЙ ТЕОРИИ …………...…………………..9

5 БОЛЬШИЕ И МАЛЫЕ МАСШТАБЫ …..……...…………………….......10

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………11

ВВЕДЕНИЕ

Представьте себе струну гитары, которую дернули или щипнули. В зависимости от того, с какой  силой вы ее дернули или щипнули и от того, как натянута эта струна, она издаст разный звук. Можно сказать, что эти звуки представляют собой возбужденные моды гитарной струны, находящейся под натяжением. Совершенно аналогично в струнной теории элементарные частицы представляются некими "музыкальными нотами" или возбужденными модами элементарных струн.

В струнной теории, так  же как и при игре на гитаре, струна должна быть натянута, иначе она  попросту не сможет возбудиться. Однако в струнной теории струны летают в  пространстве, а не прикреплены к "гитаре". Однако, несмотря на этот факт, они все же натянуты. Натяжение струны в теории струн обозначается, как , где произносится как "альфа штрих" и является квадратом длины струны.

Если струнная теория еще и теория квантовой гравитации, то средний размер струны должен быть порядка характерного масштаба квантовой гравитации, называемого Планковской длиной, которая составляет порядка 10-33 см. или одна миллионная от одной миллиардной от одной миллиардной от одной миллиардной сантиметра. К несчастью, это означает, что струны настолько малы, что увидеть их напрямую в нынешних или даже в планируемых экспериментах попросту невозможно. Это означает, что струнщики-теоретики должны разработать новые методы, с помощью которых можно тестировать теорию, вместо того, чтобы искать малюсенькие струны в экспериментах с элементарными частицами.

Струнные теории делят  по двум основным критериям: необходимо ли, чтобы струны были замкнутыми и  необходимо ли, чтобы спектр частиц включал фермионы. Для того чтобы  включить фермионы в струнную теорию, необходимо, чтобы в теории существовал особый вид симметрии, суперсимметрия, которая означает, что каждому бозону (частице, которая переносит взаимодействие) соответствует фермион (частицы, из которых состоит привычная нам материя). Таким образом, суперсимметрия связывает между собой частицы, которые переносят взаимодействия и частицы, из которых состоит привычная нам материя.

Существуют два основных типа струнных теорий - теории с открытыми (open) струнами, как показано на рисунке 1 и теории с закрытыми или замкнутыми струнами, как показано на рисунке 2.

Суперсимметричные партнеры известных сейчас частиц не наблюдались  в экспериментах, но теоретики считают, что это все из-за того, что  суперсимметричные частицы слишком  массивны для того, чтобы их можно было наблюдать на сегодняшних ускорителях. Однако можно ожидать, что в ближайшее десятилетие на ускорителях будет открыта суперсимметрия на высоких энергиях. Открытие суперсимметрии на высоких энергиях было бы убедительным доказательством того, что струнная теория является хорошей математической моделью Природы на самых маленьких масштабах.

1 ТЕОРИЯ СУПЕРСТРУН: В ПОИСКАХ ВЫХОДА ИЗ КРИЗИСА

Теория суперструн — главная надежда на «теорию всего» — находится в кризисе. Похоже, что она может описать какой угодно мир, а значит, не способна ничего предсказывать. Поиском выхода из тупика заняты сейчас многие теоретики.

Теоретическая физика, изучая всё более глубинное устройство нашего мира, становится всё более  математизированной наукой. В работах по квантовой гравитации — одному из самых активных направлений этих исследований — изучаются скорее симметрии различных многомерных структур, чем свойства реального мира. Почему же физикам пришлось настолько отрываться от окружающего мира и влезать в эти математические джунгли? В чем смысл этих исследований?

Отчасти, эта ситуация повторяет попытки ученых XIX века понять закономерности в устройстве материи. К тому времени было выяснено, что всё многообразие физических и химических свойств должно получаться из основных свойств небольшого числа химических элементов, но долгое время не удавалось нащупать этот фундаментальный закон. Перед учеными стояла задача: имея перед глазами набор макроскопических свойств веществ, попытаться угадать микроскопические степени свободы, из которых бы и складывались свойства материи. Тогда никто не говорил про симметрии, но именно поиском таких симметричных структур фактически и занимались ученые. Такая структура лежала и в основе найденного Менделеевым периодического закона, который спустя несколько десятилетий был полностью объяснен квантовой физикой.

Сейчас физики, занимающиеся теорией струн, ищут точно такую же закономерность, но уже в устройстве элементарных частиц, их взаимодействий, а также самого пространства-времени. Всяческие струны, сложные многомерные пространства и прочие геометрические объекты вводятся как раз для того, чтобы нащупать тот более глубокий уровень устройства нашего мира на сверхмалых расстояниях, из которого следовали бы основные макроскопические свойства Вселенной. Точно так же, как в середине XIX века атомная гипотеза казалась наиболее удачной для объяснения свойств веществ, сейчас гипотеза о частицах-суперструнах кажется наиболее «экономичной» математической теорией для описания свойств частиц, их взаимодействий и пространства-времени.

Есть, однако, очень важное различие между разработкой атомной  теории строения вещества и современными исследованиями суперструн. Свойства атомов самым непосредственным образом сказываются на свойствах веществ. Например, если бы периодический закон был слегка иным, он бы сразу привел к совсем иному набору химических свойств веществ. В теории суперструн такой прямой связи нет: несколько теорий, различающихся на сверхмалых расстояниях, могут привести к одному и тому же макроскопическому миру. Это неудобно, так как трудно проверить, какая из теорий больше подходит для описания мира, но это еще полбеды. Оказывается, даже одна и та же суперструнная теория при различном наборе значений параметров может привести к самым разнообразным макроскопическим «мирам».

2 КАК И ПОЧЕМУ ПОЯВЛЯЮТСЯ СТРУНЫ?

Релятивистскую квантовую  теорию поля хорошо использовать, если необходимо описать наблюдаемое поведение или же свойства элементарных частиц. Однако сама по себе эта теория хорошо работает только в том случае, если гравитация настолько слаба, что ею можно пренебречь. Иными словами, подход с использованием частиц можно использовать в предположении, что гравитации попросту нет.

С помощью Общей Теории Относительности можно описать  все многообразие явлений во Вселенной - орбиты планет, эволюцию звезд и галактик, большой Взрыв, черные дыры, гравитационные линзы и многое, многое другое. Но, сама по себе эта теория работает лишь в предположении, что наша Вселенная чисто классическая и квантовая механика для нашего описания Природы не нужна.              Теория струн призвана уменьшить, а то и вовсе избавить теории от таких расхождений. Изначально, струнная теория была предложена для объяснения наблюдаемых соотношений между массой и спином частиц, называемых адронами, к которым относятся протон и нейтрон. Однако, струнная теория не смогла дать объемлющего описания и, в конце концов, с помощью Квантовой Хромодинамики была построена принятая и по сей день теория строения адронов.

Частицы в рамках струнной теории рассматриваются как некоторые  колебания струны, и, среди прочих колебаний, одно соответствовало частице  с нулевой массой и спином, равным двум.

Если бы была хорошая  квантовая теория гравитации, то частицы, являющиеся переносчиками гравитационного  взаимодействия, обладали бы как раз нулевой массой и спином, равным двум. Такая частица была уже давно "известна" физикам-теоретикам, ей даже название было уже придумано - гравитон.

Это привело первых "струнщиков-теоретиков” к идее о том, что теория струн применима не как теория, описывающая адроны, а как теория квантовой гравитации, давней, но все еще неосуществленной мечты теоретиков многих поколений.

Однако одного только предсказания гравитона в рамках струнной теории недостаточно для построения самосогласованной теории. Можно "руками" добавить гравитон в квантовую теорию поля, но уравнения, которые по идее должны будут в этом случае описывать  Вселенную, станут бессмысленными. Все это происходит потому, что, как видно из диаграмм выше, взаимодействие частиц происходит в одной точке пространства-времени, то есть при нулевом расстоянии между взаимодействующими частицами. Для гравитонов при расстоянии, равном нулю математические расчеты дают бесконечные расходимости, что попросту лишает смысла ответы. В струнной теории, взаимодействие струн происходит на малых, но вполне конечных расстояниях, так что ответы получаются вполне осмысленными.

Это не означает, что струнная теория идеальна. Однако то, что струнная теория дает возможность описать поведение на "нулевых" расстояниях, дает возможность объединить квантовую механику и гравитацию, что, в свою очередь, дает нам возможность говорить о том, что гравитация передается через колебания струн.

Это был довольно серьезный  барьер, но он был преодолен в  конце 20 века, и вот почему сейчас столько молодежи (в мире, а не в России) согласны изучать довольно сложную и абстрактную математику, которая необходима для изучения квантовой теории взаимодействующих струн.

3 СКОЛЬКО СУЩЕСТВУЕТ РАЗЛИЧНЫХ ТЕОРИЙ СТРУН?

Существуют пять разновидностей суперструнной теории, представленные в таблице 1.

Таблица 1 – Разновидности  суперструнной теории.

Если мы захотим перейти  от десяти пространственно-временных  измерений к четырем, то число струнных теорий возрастет потому, как существует огромное число способов сделать шесть измерений сильно-сильно меньше по размерам, нежели оставшиеся четыре. Процесс компактификации нежелательных пространственно-временных измерений интересен даже сам по себе.              Однако число струнных теорий также сильно уменьшилось за последние годы, потому, как струнщики поняли, что-то, что они раньше считали совершенно различными теориями, на самом деле оказывается попросту разными взглядами на одну и ту же теорию.

Этот период в истории  струн даже называют второй струнной революцией.  И сейчас много сил теоретиков-струнщиков брошено на то, чтобы уменьшить существующие пять теорий до одной.

4 НОВАЯ КАРТИНА СТРУННОЙ ТЕОРИИ

Когда-то струнщики считали, что есть пять различных суперструнных теорий: типа I, типов IIA и IIB, и две гетеротические струнные теории. Считалось, что это пять различных кандидатов на роль универсальной “теории всего” и сама эта "избранная" теория представляет собой низкоэнергетический предел “теории всего”, к тому же с шестью компактифицированными измерениями (с десяти до наблюдаемых четырех). Остальные четыре теории, как считалось, ничто более неудачных математических конструкций, не имеющих ничего общего с природой.

Сейчас считается, что такие ранние и наивные представления не верны. Все пять суперструнных теорий связаны друг с другом, как будто если бы они были различными частными случаями одной фундаментальной теории. Эти теории связаны друг с другом преобразованиями, называемыми дуальностями. Если две теории связаны между собой преобразованием дуальности (дуальным преобразованием), это означает, что первую из них можно преобразовать некоторым образом так, что один из ее пределов будет выглядеть как вторая из этих теорий. Тогда говорят, что эти две теории дуальны по отношению друг к другу под действием этого преобразования.

Кроме того, дуальности связывают  величины, которые также считались  принципиально различными. Большие  и малые масштабы, сильные и  слабые связи - эти величины всегда считались совершенно четкими пределами поведения физических систем, как в классической теории поля, так и в квантовой. Однако, струны могут уменьшать различие между большим и малым, сильным и слабым, и это именно то, как эти пять совершенно различных теорий соотносятся между собой.

5 БОЛЬШИЕ И МАЛЫЕ МАСШТАБЫ

myunivercity.ru

Смотрите также

• 
  Реферат изобретение велосипеда
• 
  Реферат вариантная анатомия
• 
  Промышленная водоподготовка реферат
• 
  Природоохранные сооружения реферат
• 
  Парадокс бережливости реферат
• 
  Искусство старения реферат
• 
  Иммунодефициты первичные реферат
• 
  Изобретение велосипеда реферат
• 
  Герои макеевки реферат
• 
  Високосный год реферат
• 
  Открытия современности реферат