Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Understanding the Aim of String Theory / Понимание цели Теории Струн

Понимание цели Теории Струн

Как считают многие, основная задача теории струн стать "теорией всего", то есть единственной теорией, описывающей физическую действительность на самом фундаментальном уровне.

Окажись теория струн правдой, она смогла бы дать ответы на множество принципиальных вопросов о нашей Вселенной.

Объяснение материи и массы

На современном этапе развития теории струн одной из главных задач стало найти теоретическое решение, включающее в себя частицы, в действительности существующие в нашей Вселенной.

Теория струн задумывалась как теория о частицах — например, адронах, как более высоких колебательных модах (типах колебаний) струн.

В большинстве нынешних формулировок теории струн вещество, наблюдаемое в нашей Вселенной, исходит из низкоэнергетичных колебаний струн и бран. (Колебания высокой энергии включают в себя еще большее количество частиц высоких энергий, ныне не существующих в нашей Вселенной).

Масса этих элементарных частиц зависит от того, каким образом струны и браны оборачивают дополнительные измерения, компактифицированные в пределах теории. Выглядит это запутанно и масштабно.

Взгляните, к примеру, на иллюстрацию 1-3, на которой представлен упрощенный случай, где дополнительные измерения свернуты в форме бублика (тора, как его зовут математики и физики).

Иллюстрация 1-3.
Струны оборачиваются вокруг дополнительных измерений для создания частиц с различными массами.
Тяжелая частица.
Легкая частица.

У струны есть два способа обернуться вокруг этой фигуры.
✓ Короткая петля вокруг туннеля через центр бублика.
✓ Длинная петля, обернутая вокруг всей длины бублика (подобно тому, как веревка обвивает игрушку йо-йо).

Короткая петля будет легкой частицей, длинная - тяжелой. Обернув струны вокруг компактифицированных измерений в форме тора, вы получите новые частицы с разными массами.

Идея о том, что протяженность можно перевести в массу, изящна в своей простоте, и это одна из главных причин, почему теории струн удалось прижиться. Свернутые измерения в теории струн намного сложнее, чем простой тор, но работают по тому же принципу.

Возможно даже (хоть это и труднее отобразить), что струна оборачивается в двух направлениях разом. Результатом, опять же, станет новая частица с новой массой. Браны тоже могут оборачиваться вокруг дополнительных измерений, что даст еще больше вероятностей.

Определение пространства и времени

Во многих версиях теории струн дополнительные пространственные измерения компактифицированы в очень маленьких размеры, поэтому они ненаблюдаемы для наших современных технологий.

Попытка взглянуть на пространство, меньшее этого компактифицированного размера, даст результаты, которые не соответствуют нашему пониманию пространства-времени. (Как видно из  Главы 2, поведение пространства-времени в этих малых масштабах является одной из причин поиска квантовой гравитации.)

Одной из основных трудностей в теории струн является попытка выяснить, как из этой теории может вытекать пространство-время.

Как правило, однако, теория струн строится на представлении Эйнштейна о пространстве-времени  (см. Главу 6). Теория Эйнштейна имеет три пространственных и одно временное  измерение.

Теория струн предсказывает намного больше пространственных измерений, но не меняет сильно фундаментальные правила игры, по крайней мере, при низких  энергиях.

В настоящее время неясно, может ли теория струн понять фундаментальную природу пространства и времени лучше, чем это сделал Эйнштейн. В теории струн пространственные и временные измерения Вселенной фактически служат фоном  для взаимодействия струн, не имея сами по себе реального смысла.

Были разработаны некоторые предложения, как это можно было бы решить,  сосредоточившись в основном на пространстве-времени как на эмерджентном феномене - то есть пространство-время получается из совокупности всех струнных взаимодействий способами, которые еще не были полностью разработаны в рамках теории.

Однако эти подходы не соответствуют определению некоторых физиков, что приводит к критике этой теории.

Крупнейший конкурент теории струн, петлевая квантовая  гравитация, использует квантование пространства и времени в качестве отправной точки своей  собственной теории, как объясняется в Главе 18. Некоторые считают, что это, в конечном счете, будет другим подходом к одной и той же базовой теории.

Квантование гравитации

Если теория подтвердится, то ее главной задачей станет продемонстрировать, что она представляет собой квантовую теорию гравитации. Теория гравитации в ее нынешнем виде, или же теория относительности, неприменима к квантовой физике.

Из-за того, что квантовая физика устанавливает ограничения на поведение малых объектов, при исследовании Вселенной на чрезвычайно малых масштабах, возникают серьезные противоречия. (См. главу 7, чтобы узнать больше о квантовой физике).

Объединение сил

На данный момент физике известны четыре фундаментальных силы (или, если соответствовать более точному определению физиков, "взаимодействия"): гравитация, электромагнетизм, слабое ядерное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие.

Теория струн порождает систему, в которой все эти взаимодействия некогда были частью одного единого взаимодействия.

Согласно этой теории, как только Вселенная начала остывать после Большого взрыва, единое взаимодействие начало распадаться на составные части, наблюдаемые нами теперь.

Эксперименты с высокими энергиями когда-нибудь позволят нам обнаружить объединяющее начало этих сил. Впрочем, пока что такие опыты за пределами возможностей современных технологий.

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

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/143807

Переводчики: morozoffnick, cosinus, Irina73