String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Introducing the Key Elements of String Theory / Представление основных элементов теории струн

Представление основных элементов теории струн

Irina73 16.04.13 в 06:38

Есть пять основных представлений, регулярно всплывающих, когда речь идет о теории струн. Лучше будет ознакомиться с ними прямо с порога.

morozoffnick 06.04.13 в 17:34

✓Теория струн прогнозирует, что все объекты нашей Вселенной состоят из вибрирующих нитей (и мембран) энергии.

morozoffnick 06.04.13 в 17:36

✓Теория струн пытается примирить общую теорию относительности (гравитацию) с квантовой физикой.

denis_73 03.09.13 в 19:57

✓Теория струн дает возможность объединить фундаментальные взаимодействия нашей Вселенной.

morozoffnick 06.04.13 в 17:38

✓Теория струн прогнозирует наличие новой связи (суперсимметрии) между двумя фундаментально отличными видами частиц — бозонами и фермионами.

morozoffnick 06.04.13 в 17:40

✓Теория струн предсказывает существование ряда дополнительных (в большинстве случаев не поддающихся наблюдению) измерений Вселенной.

morozoffnick 06.04.13 в 17:42

В следующих параграфах я дам вам основы этих идей.

morozoffnick 06.04.13 в 17:43

Струны и браны
Изначально, по мере развития теории в семидесятые годы, нити энергии в теории струн рассматривались как одномерные объекты — струны.

morozoffnick 06.04.13 в 17:45

(Слово "одномерный" означает, что у струны только одно измерение — длина, то есть у нее нет площади, так как это понятие подразумевает и длину, и высоту).
Существуют струны двух форм — открытой и закрытой.

morozoffnick 06.04.13 в 17:49

Концы открытой струны не соприкасаются, в то время как закрытая струна имеет форму петли и не имеет открытых концов. В конце концов удалось обнаружить, что эти ранние струны, именуемые струнами первого типа, участвуют в пяти основных взаимодействиях, как показано на илл. 1-1.

morozoffnick 06.04.13 в 17:52

Иллюстрация 1-1:
Струны первого типа проникают сквозь пять основных взаимодействий. Эффект основан на различных способах соединения и разделения.

morozoffnick 06.04.13 в 17:55

В основе взаимодействий лежит способность струн соединяться и разъединяться. Так как концы открытых струн могут соединяться для формирования закрытых струн, построить теорию без закрытых струн невозможно.

morozoffnick 06.04.13 в 19:03

Этот факт имеет доказанную значимость, ведь у закрытых струн есть качества, которые, как считают многие физики, могут охарактеризовать гравитацию! Иными словами, вместо теории элементарных частиц у ученых начала вырисовываться теория струн, способная объяснить гравитацию и поведение частиц.

morozoffnick 06.04.13 в 19:09

За эти годы было обнаружено, что теории требуются и другие объекты, а не только струны. Эти объекты можно рассматривать как листы или браны.

cosinus 07.04.13 в 11:16

Струны можно прикрепить на одном или обоих концах этих бран. Двумерная брана (так называемая 2-брана) показана на рисунке 1-2. (См. главу 11 с подробной информацией о бранах.)

cosinus 07.04.13 в 11:19

Рисунок 1-2:  В теории струн струны присоединяются к бранам.

cosinus 07.04.13 в 11:20

Квантовая гравитация

cosinus 07.04.13 в 11:21

В современной физике есть два основных научных закона: квантовой физики и общей теории относительности. Эти два научных закона представляют радикально различные области исследований.

cosinus 07.04.13 в 11:22

Квантовая физика изучает самые маленькие объекты в природе, в то время как теория относительности стремится к изучению природы в масштабах планет, галактик и Вселенной в целом.

cosinus 07.04.13 в 11:23

(Очевидно, что гравитация влияет и на мелкие частицы, а теория относительности  также их учитывает.) Теории, которые пытаются объединить эти два закона - это теории квантовой гравитации, и наиболее перспективной из всех на сегодняшний день является теория струн.

cosinus 07.04.13 в 11:27

Замкнутые струны в теории струн (см. предыдущий раздел) соответствуют поведению, ожидаемому от гравитации. В частности, они обладают свойствами, которые соответствуют давно искомому гравитону, частице, которая будет переносить силы гравитации между объектами.

cosinus 07.04.13 в 11:30

Квантовая гравитация является предметом Главы 2, где я коснусь этой идеи гораздо глубже.

cosinus 07.04.13 в 11:33

Унификация сил.

cosinus 07.04.13 в 11:34

В тесной связи с вопросом о квантовой гравитации, теория струн стремится объединить четыре взаимодействия Вселенной - электромагнитное, сильное ядерное, слабое ядерное и гравитацию - в единую теорию.

morozoffnick 07.04.13 в 17:52

В нашей Вселенной эти фундаментальные силы предстают в виде четырех разных явлений, но струнные теоретики считают, что в ранней Вселенной (когда энергетические уровни были невероятно высокими ) все эти силы описываются струнами, взаимодействующими друг с другом.

cosinus 07.04.13 в 11:45

(Если вы никогда не слышали о некоторых из этих сил, не волнуйтесь! Они отдельно более подробно обсуждаются в Главе 2 и на всем протяжении Части II).

cosinus 07.04.13 в 11:49

Суперсимметрия

cosinus 07.04.13 в 11:50

Все частицы во Вселенной можно разделить на два типа: бозоны и фермионы. (Эти типы частиц объясняются более подробно в Главе 8.)

cosinus 07.04.13 в 11:50

Теория струн предсказывает, что между этими двумя типами частиц существует тип соединения, называемый суперсимметрией.

cosinus 07.04.13 в 11:52

В соответствии с принципом суперсимметрии, для каждого бозона должен существовать фермион и для каждого фермиона - бозон. К сожалению, эти особые частицы экспериментально еще не обнаружены.

cosinus 07.04.13 в 11:58

Суперсимметрия - это специфическое математическое взаимоотношение между определенными  элементами физических уравнений.

cosinus 07.04.13 в 12:00

Она была обнаружена не в теории струн,  хотя ее включение в теорию струн в середине 1970-х годов превратило ту в суперсимметричную теорию струн (или теории суперструн). (Подробнее см.  Главу 10.)

cosinus 07.04.13 в 12:05

Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она значительно упрощает уравнения теории струн, позволяя свести на нет определенные выражения. Без суперсимметрии уравнения дают физические несуразицы, такие как бесконечные значения и  мнимые уровни энергии.

cosinus 07.04.13 в 12:10

Поскольку ученые не наблюдали частицы, предсказанные суперсимметрией, она по-прежнему является теоретическим предположением. Многие физики считают, что  никто не наблюдал этих частиц по той причине, что для их образования требуется много энергии.

cosinus 07.04.13 в 12:13

(Энергия связана с массой известным уравнением Эйнштейна E = mc^2, поэтому для создания частицы требуется энергия.) Они могли существовать в  ранней Вселенной, но когда Вселенная остыла, и энергия распространилась после  Большого взрыва, эти частицы коллапсировали бы в низкоэнергетичное состояние, которые мы наблюдаем сегодня.

cosinus 07.04.13 в 12:18

(Мы не можем представить нашу нынешнюю Вселенную как крайне низкоэнергетичную, но по сравнению с сильным жаром первых нескольких минут  после Большого взрыва, это, конечно, так.)

cosinus 07.04.13 в 12:21

Иными словами, струны, вибрирующие как более высокоэнергетичные частицы, потеряли энергию и  превратились из одного типа частиц (одного типа вибрации) в другой, более низкоэнергетичный тип вибрации.

cosinus 07.04.13 в 12:23

Ученые надеются, что астрономические наблюдения или эксперименты с ускорителями частиц обнаружат некоторые из этих более высокоэнергетичных суперсимметричных   частиц, обеспечив поддержку для этого предсказания теории струн.

cosinus 07.04.13 в 12:27

Дополнительные измерения

cosinus 07.04.13 в 12:28

Еще одним математическим результатом теории струн является то, что теория имеет смысл только в мире с более чем тремя пространственными измерениями!

cosinus 07.04.13 в 12:38

(Наша Вселенная имеет  три пространственных измерения - влево / вправо, вверх / вниз, и вперед / назад). В настоящее время существуют два возможных объяснения локализации дополнительных измерений:

cosinus 07.04.13 в 12:43

✓ Дополнительные пространственные измерения (как правило, шесть из них), свернуты (компактифицированы, по терминологии теории струн) до невероятно малых размеров, поэтому мы  никогда их не ощущаем.

cosinus 07.04.13 в 12:46

✓ Мы застряли на 3-мерной бране, и дополнительные измерения, отходящие от нее, нам недоступны.

cosinus 07.04.13 в 12:50

Основной областью исследований струнных теоретиков является математическая модель  того, как эти дополнительные измерения могут быть связаны с нашими собственными.

cosinus 07.04.13 в 12:51

Некоторые из этих  последних результатов предсказывают, что в предстоящих экспериментах ученые вскоре смогут обнаружить  эти дополнительные измерения (если они существуют), потому что  они могут быть крупнее, чем ожидалось ранее. (Больше о дополнительных измерениях см. в Главе 13).

cosinus 07.04.13 в 12:54