Готовый перевод 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

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

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

✓Теория струн пытается совместить общую гравитацию (гравитацию) с квантовой физикой.

✓Теория струн дает возможность объединить фундаментальные взаимодействия нашей Вселенной.

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

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

В следующих параграфах я дам вам основы этих идей.

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

(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.

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.

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

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.

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.

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

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.)

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

Квантовая гравитация

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

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.

(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.

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.

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

Унификация сил.

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.

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.

(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).

Суперсимметрия

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

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

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.

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

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.)

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.

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.

(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.

(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.)

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.

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.

Дополнительные измерения

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

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

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

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

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

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).

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/143806

Переводчики: cosinus, morozoffnick, Irina73