Генеральный

Разъяснение теории струн: краткий обзор для начинающих


Наряду с разумом, ловкой рукой, острым мозгом человеческое тело приходит с любознательным и чрезмерно любопытным умом, который продолжает выяснять идеи, лежащие в основе всего, что его окружает. Наша удивительно скоординированная вселенная вызывает у нас трепет и является подходящим предметом для изучения.

Мы прошли долгий путь от гипотезы Аристотеля о фундаментальном элементе до широко распространенной Стандартной модели в нашем стремлении раскрыть секреты Вселенной. Но все это время ход мыслей был довольно линейным.

Теория струн бросает вызов базовому подходу и открывает перед нами потрясающую новую перспективу, позволяющую увидеть реальность. Но сначала давайте посмотрим, что делает теорию струн революционной и такой интересной.

Физики весело проводили время, объясняя наблюдаемую Вселенную с помощью законов движения Галилея. Ньютон добавил к их арсеналу гравитационную силу, и все стало обретать смысл.

Затем пришли электрические и магнитные силы, которые объяснялись законами Кулона и Ампера. Большой прорыв был сделан Максвеллом, когда он объединил электрические и магнитные силы в электромагнетизм.

Он даже объяснил переносчиками силы фотоны. Но мы все еще ничего не знали о гравитационной силе. Что приводит к его существованию?

Эйнштейн был первым, кто продвинулся в этом направлении со своей специальной и общей теорией относительности. Он попытался объяснить гравитацию исключительно с точки зрения геометрии, и у него все получилось.

Но мир науки был полностью перевернут Гейзенбергом и другими, когда они добавили квинтэссенцию квантовой физики. До этого момента классическая модель и электромагнетизм отлично справлялись с объяснением явления и взаимодействия на макроскопическом уровне.

Квантовая физика теперь позволила физикам объяснить и микроскопический мир. Позже были открыты слабые и сильные ядерные силы, и мы получили четыре основных силы.

Попутно мы обнаружили множество очень маленьких частиц, которые, казалось, составляли Вселенную. Молекулы долгое время занимают место «фундаментальной частицы».

Затем настала очередь атома. Позже электроны, протоны и нейтрон захватили это место.

На данный момент мы рассматриваем бозоны (например, глюоны, Хиггса) и фермионы (например, кварки, лептоны) как элементарные частицы. Эти фундаментальные частицы и их взаимодействие друг с другом довольно точно иллюстрировали природу реальности, за исключением гравитации.

Это видео от CERN 2010 года до открытия бозона Хиггса хорошо объясняет Стандартную модель физики элементарных частиц:

Итак, как мы пришли к рассмотрению теории струн?

Сейчас мы не хотим углубляться в математику, лежащую в основе этих открытий, но вы должны знать, что наши знания о них получены из простых предположений и расчетов. Элементарные частицы настолько малы, что порядка размерности Планка, равной 10-33, что мы не можем экспериментировать или даже наблюдать их.

Итак, как нам с ними играть? Физики решили эту загадку, рассматривая эти частицы как «точки» в нашем трехмерном мире. В сочетании с четвертым измерением времени они прослеживают «мировую линию».

Более того, в этих точках есть квантовые состояния, которые мы называем массой, зарядом и т. Д. Но с этими точечными частицами мало что можно сделать.

Это оказалось серьезным препятствием при формулировании взаимодействия между различными частицами.

В 50-х и 60-х годах ускорители частиц производили совершенно новые композитные частицы. Габриэле Венециано придумал теорию струн, чтобы описать структуру масс и спинов «адронов».

Однако его теоретическая модель струн не подходила для адронов, но позже была возрождена для описания всех элементарных частиц.

Теория струн упрощена

Помните нашу маленькую проблему с точечными частицами, которые не могут учесть взаимодействия? Итак, теория струн предложила обобщить идею фундаментальной составляющей сущности до одномерного измерения.

Это означает, что теория струн предполагает, что маленькие струны размером с планковскую длину являются элементарными объектами, а не элементарными частицами. Все элементарные частицы можно описать как струны с разными квантовыми состояниями.

Существует довольно известная аналогия этих теоретических струн со струнами скрипки. Подобно тому, как разные колебания струны на скрипке производят разные ноты, аналогичным образом разные квантовые состояния струны порождают все возможные элементарные частицы, будь то электрон, кварк или глюон.

В более крупном масштабе вы не видите струн, они выглядят как элементарные частицы, с которыми мы хорошо знакомы.

Вы можете спросить, из чего состоят эти струны. Ну, они ни из чего не сделаны, но сами все делают.

Например, в Стандартной модели стул сделан из дерева, которое, в свою очередь, состоит из разных молекул, которые сами состоят из разных атомов, состоящих из электронов, протонов (состоящих из кварков) и нейтронов (также образованных кварками).

Но что эти кварки и электроны имеют в своем окончательном распаде? Ну ничего; потому что они являются конечным продуктом распада.

Мы только что заменили нульмерные элементарные объекты одномерной элементарной составляющей, называемой цепочкой.

Итак, чем же одномерный элементарный объект превосходит точечные частицы? Видите ли, помимо квантовых состояний, эти струны также имеют длину.

Таким образом, эти струны могут иметь несколько аранжировок сами по себе, например, они могут быть «открытыми» или «закрытыми» струнами. Открытые струны могут соединяться с одним концом и образовывать новую открытую струну, или две открытые струны могут соединяться и образовывать замкнутую струну.

Эти взаимодействия струн порождают пять различных теорий струн, которые мы изучим как разные версии теории суперструн.

Интуитивно понятно, что у этих струн должно быть какое-то «натяжение». Это напряжение порождает различные виды вибрации и порождает все формы элементарных частиц.

Самая ошеломляющая особенность теории струн - это ее дополнительные измерения. Мы живем в четырехмерном мире с тремя пространственными и одним временным измерениями.

Однако математика теории струн начинает разваливаться только на четыре измерения. Он стабилизируется только по 10 параметрам.

Прежде чем мы углубимся в понимание этих дополнительных измерений, давайте посмотрим на историю этой революционной теории, чтобы получить больше ясности в отношении необходимости 10 измерений.

История теории струн

Давайте исследуем истоки теории струн. Но сначала убедитесь, что вы понимаете, что в отличие от многих популярных теорий, которые начинаются с определенных постулатов и описывают систему или явление, теория струн очень сложна.

Это набор нескольких математических структур и теоретических моделей, фундаментальные принципы которых сильно отличаются друг от друга. История теории струн начинается с гипотезы Калуцы-Клейна, которая пыталась объединить гравитацию и электромагнетизм.

Калуца-Клейн в 1921 году предположил, что существует четыре, а не три пространственных измерения. Одно из этих измерений не бесконечно расширено, а свернуто в себе, явление, называемое компактификацией.

Кроме того, в этом четырехмерном мире есть только гравитация и никакого электромагнетизма. Это предположение с помощью некоторых мучительных вычислений показало, что гравитон (носитель силы гравитации), частица со спином 2, расщепляется на частицу со спином 1 в трехмерном мире.

Вот красивое пояснительное видео о вращении, которое является внутренним свойством частиц:

Таким образом, это предложение объясняет объединение электромагнетизма и гравитации. Если вам не нравится идея четырех пространственных измерений, подумайте о проволоке или палке, которые сделаны настолько маленькими, что вы не можете понять их ширину.

Вы просто испытаете одно измерение, а другие будут скрыты или компактифицированы.

Теория Калуцы-Клейна не стала вирусной, потому что принятая ею концепция квантовой гравитации показалась научному сообществу слишком дурацкой.

Однако 70-е годы были десятилетием теории струн. Джеффри Чу, Леонард Сасскинд, Ч. Шмид и другие разработали теорию струн для объяснения «адронов». Габриэле Венециано был еще одним крупным сотрудником, которому приписывают развитие теории струн в том виде, в каком мы ее знаем сегодня.

Распространенные представления теории получили большой толчок с гипотезой «Янга-Миллса». Эта новая теория пыталась объединить все фундаментальные силы, кроме гравитации. Эту попытку удачно назвали «великим объединением».

Теория суперструн

Мы знаем, что теория суперструн - это причудливое название, и вы, возможно, думаете, в чем состоит новая теория струн «звериного режима». Теория суперструн расшифровывается как суперсимметричная теория струн.

Когда вы объединяете идею суперсимметрии с теорией струн, вы получаете лучшую теорию - теорию суперструн.

Итак, что такое суперсимметрия?

Мы знаем, что есть два типа элементарных частиц: бозоны и фермионы. Бозоны - это частицы с целым спином, которые передают фундаментальные силы, а фермионы - это частицы с полуцелым спином, из которых состоит материя.

Физики ожидали, что бозоны и фермионы каким-то образом связаны, но математики предположили иное. Именно тогда на сцену вышло понятие суперсимметрии.

Посмотрите видео ниже, где доктор Дон Линкольн из Fermilab объясняет концепцию суперсимметрии самым простым способом.

Суперсимметрия утверждает, что у всех бозонов есть фермионный «суперпартнер», и наоборот, со спином, который отличается на половину единицы. Помимо различий в спине, они также различаются коллективными свойствами.

Фермионы предпочитают оставаться в разных состояниях, а бозоны предпочитают оставаться в одном и том же состоянии. Так суперсимметрия объединила два типа вместе с их различиями и легла в основу теории суперструн.

Новая теория предсказала большинство известных частиц и новую частицу со спином 2 «гравитон», которая является кандидатом на переносчика гравитационных сил.

Со временем физики придумали пять различных версий теории суперструн, а именно тип I, тип IIA, тип IIB, гетеротический и гетеротический с калибровочной симметрией E (8) x E (8).

Первая суперструнная революция в 1984 году вызвала большую активность в этой области. В 1995 году Эдвард Виттен объединил все эти версии в одну 11-мерную теорию, широко известную как «М-теория».

Дополнительные измерения теории струн

Мы оставили наше обсуждение дополнительных измерений незавершенным, говоря о теории суперструн. Продолжим.

Теория струн поддерживает 10 измерений, 3 из которых простираются бесконечно и доступны для нашего наблюдения. Итак, где же остальные 6 пространственных измерений?

Они прямо здесь, но свернуты на себя, то есть компактифицированы.

Дополнительные измерения заложены в математическом понятии «многообразие». Возьмем, например, относительно большую сферу и поместим над ней муравья.

Поверхность шара будет казаться муравью плоской. Итак, у нас есть «локальная» форма (плоская поверхность) и «глобальная» форма (сфера). Сфера в данном случае является примером двумерного многообразия.

То же самое и с нашим миром.

Мы живем в трехмерном многообразии. Даже если мы не принимаем во внимание постулаты теории струн, общая теория относительности предполагает четвертое измерение, гравитацию, а универсальное явление описывается с помощью кривизны этого дополнительного измерения.

Таким образом, мы можем легко заключить, что многообразие может обладать кривизной и другими нетривиальными свойствами.

Многообразие Калаби-Яу представляет собой класс 6-мерных многообразий и является предметом изучения теории струн. Они чудесно предсказывают несколько реалистичных теорий в 4-мерном пространстве-времени.

Мы во многом воспользовались ранее обсуждавшейся идеей Калуцы-Клейна о компактификации. Дополнительные размеры - это просто компактный коллектор, который слишком мал, чтобы мы могли его обнаружить.

Кроме того, М-теория распространяется на 10 измерений теории струн и работает в общей сложности с 11 измерениями.

Теория струн - это теория всего?

Мы знаем, что истинное знание области лежит в самой сути изучаемого предмета. Вам не понадобится множество кажущихся разными теориями и параметрами, чтобы раскрыть природу реальности, а нужен единый фундаментальный подход.

Стандартная модель, будучи довольно успешной, не оправдывает этих ожиданий. Это имеет смысл только с множеством частиц и сотнями не очень хорошо определенных параметров.

Что наиболее важно, у нас есть квантовая механика, общая теория относительности, квантовая теория поля и многие другие модели, позволяющие понять ту же тему, что и Вселенная.

Неужели все они каким-то образом не связаны? Разве квантовая механика и гравитация не должны подпадать под общие рамки? Да, должны.

Теория Всего - это наша попытка объединить различные теоретические модели, чтобы исследовать Природу. Теория струн оказалась наиболее сильным кандидатом на применение такого унифицированного подхода.

Он неожиданно предсказал квантование гравитации гравитонами. Так почему же это не главное открытие?

Теория струн успешно объяснила многие сложные явления, в первую очередь черные дыры. Черные дыры - очень маленькие объекты с очень большой массой, и для их изучения требуется общая теория относительности, а также квантовые состояния.

Теория струн дала новый взгляд на кварк-глюонную плазму, и была установлена ​​связь между квантовой теорией поля и теорией струн, называемая AdS / CFT-соответствием.

Теория струн дала множество результатов, некоторые из которых могут показаться абсурдными или непонятными. Например, он предсказывает существование 10500 вселенные или массивная мультивселенная.

Из-за этого в прошлом Теория струн столкнулась со многими неудачами. Но что поражает научное сообщество, так это постоянное возвращение этой противоречивой теории.

Его решения и результаты продолжают появляться во всех областях исследований. Кроме того, теория струн вдохновила на создание множества новых идей, таких как суперсимметрия, которые сейчас хорошо известны и используются сами по себе.

Теория струн была объектом интереса средств массовой информации и популярной науки, а также научного сообщества из-за своих нелогичных решений. Однако самая большая проблема теории струн заключается в том, что большинство ее предсказаний и представлений нельзя проверить с помощью экспериментов, поскольку они требуют очень высокой энергии, что в настоящее время невозможно с имеющимися у нас зондами.

Но теория струн - это не просто теория, а революция в мире физики, и она всегда так или иначе будет частью основной академической науки. Об этом свидетельствуют физики-теоретики и популярные лица физиков Брайан Грин и Мичио Каку.

Итак, вот упрощенная теория струн.


Смотреть видео: Почему нот семь? (January 2022).