Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Bosonic String Theory: The First String Theory

Теория бозонных струн: Первая теория струн

Первая теория струн стала известна как Теория бозонных струн, которая говорила, что все частицы, которые наблюдали физики являются на самом деле вибрацииями многомерных «струн».

Но теория выдавала последствия, которые сделали ее нереальной к использованию для описания нашей реальности.

Приверженная группа физиков работала над теорией бозонных струн между 1968 и началом 1970-х годов, когда развитие теории суперструн, (которая говорила то же самое, но лучше подходящая к реальности) вытеснила ее.

(Я объясню эту улучшенную теорию ниже в разделе «Суперсимметрия приносит удачу: Теория суперструн.»)

Даже при том, что теория бозонных струн была несовершенная и неполная, струнные теоретики иногда проводят математические исчисления с этой моделью, чтобы проверить новые методы и теории прежде чем перейти к более современным моделям суперструн.

Объяснение рассеивания частиц с ранними дуально-резонансную моделями

Теория струн родилась в 1968 году в качестве попытки объяснить рассеяние частиц (в частности, адронов, подобных протонам и нейтронам) в пределах ускорителя частиц.

Первоначально, она не имела никакого отношения к струнам.

Эти ранние предшественники теории струн были известны как дуально-резонансные модели.

Начальное и конечное состояние взаимодействия частицы можно записать в массив чисел называемый S-матрицей.

В то время, нахождение математической структуры для этой S-матрицы, как полагали, было значительным шагом к созданию последовательной модели физики элементарных частиц.

Габриэле Венециано, физик из лаборатории ускорителя частиц CERN, понял, что существующая математическая формула, казалось, объяснила математическую структуру S-матрицы.

(См. врезку “Применения чистой математики к физике” для большей информации по этой формуле.)

(Физик Мичио Каку заявил, что Махико Сузуки, также из ЦЕРНа, сделал то же самое открытие в то же время, но был убежден наставником не публиковать его.)

Объяснение Венециано назвали дуально-резонансной моделью, амплитудой Венециано, или просто моделью Венециано.

Дуально-резонансная модель была близка к правильному результату для взаимодействовия адронов, но не совсем верна.

В то время, когда Венециано развил модель, ускорители частиц не были достаточно точны, чтобы обнаружить различия между моделью и действительностью.

(В конечном счете, было бы показано, что альтернативная теория квантовой хромодинамики была правильным объяснением поведения адрона, о чем говорилось в Главе 8.)

Применений чистой математики к физике

Физики часто сталкиваются с тем, что математика которая им нужна была создана задолго до того, как она потребовалась.

Например, уравнение, которое физик Габриэле Венециано использовал для объяснения рассеяния частиц была бета функцией Эйлера, которая была обнаружена в 1700-х годах швейцарским математиком Леонардом Эйлером.

Кроме того, когда Эйнштейн начал расширять специальную относительность в Общую теорию относительности, он скоро понял, что традиционная Евклидова геометрия не будет работать.

Его пространства должны были изогнуться, а геометрия Евклида описывала только плоские поверхности.

К счастью для Эйнштейна, в середине 1800-х годов немецкий математик Бернхард Риман работал над формой неевклидовой геометрии (названной Риманновой геометрией).

Математика, необходимая Эйнштейну для общей теории относительности, была создана полвека ранее как интеллектуальное упражнение, без практической цели.

(Как увлекательная, возможно, как затрагивающая революционные основы геометрии, но едва ли практическая).

Это происходило несколько раз в истории теории струн.

Пространство Калаби — Яу, обсуждаемое в конце этой главы, являются одним из примеров.

Другой пример, когда струнные теоретики пытались определить необходимое количество измерений, чтобы сделать их теории стабильными и последовательными.

Ключ к этой проблеме нашелся в записях индийского математического гения Сриниваса Рамануджана (упоминаемого в фильме Умница Уилл Хантинг), который умер в 1920 году.

Конкретной математикой в этом случае была функция называемая функцией Рамануджана.

После того, как дуально-резонансная модель была сформулирована сотни теоретических работ были опубликованы в попытках немного изменить параметры.

Это было способом, которым теории приближались к физике; в конце концов, начальное приближение в теории редко точное и, как правило, требует тонких настроек, чтобы увидеть, как теория реагирует, насколько она может быть искажена и изменена, и т.п. Это, в конечном счете, также согласуется с экспериментальными результатами.

Дуально-резонансная модель не имела ничего общего с такого рода доводкой - она просто не допускает каких-либо изменений, которые все еще позволят ей быть действительной.

Математические параметры теории были слишком точно настроены.

Попытки модифицировать теорию в любом случае быстро привело к краху всей теории.

Как кинжал сбалансированый на его кончике, и любое незначительное нарушение может заставить его упасть.

Математически, она была заперта в определенном наборе значений.

Фактически, было сказано, что у теории не было абсолютно никаких приспосабливаемых параметров — по крайней мере, пока она не была преобразована в совершенно другую концепцию: теорию суперструн!

Это не то, как теории должны себя вести.

Если вы имеете теорию и изменяете ее как либо, например, немного изменяется масса частицы, теория не должна разрушаться — она должна просто дать вам другой результат.

Когда теория не может быть изменена, есть только две возможных причины: или она абсолютно неправильна, или она абсолютно правильна! В течение нескольких лет, двойные резонансные модели выглядели как совершенно правильные, поэтому физики продолжали размышлять, что это может означать.

Исследований первой физической модели: Частицы как струны

Основная физическая интерпретация теории струн предполагала вибрирующие струны.

Когда струны, каждая из которых представляет частицу, сталкивались друг с другом, S-матрица описывала результат.

Рассмотрим этот очень неформальный взгляд на теории струн, как показано на рисунке 10-1.

Каждая частица состоит из вибрирующей струны.

В случае протона существует три кварковые струны.

Когда эти три струны контактируют, вместе они образуют протон.

Таким образом, протон создан взаимодействием трех кварковых струн, касающихся друг друга.

Протон является своего рода узлом в пределах струны.

Рис. 10-1:

Большинство людей думает о частицах как о твердых сферах.

В теории струн ученые рассматривают их подобно вибрирующим струнам.

На что похожи эти струны? Описанные струны почти походили на длинные резинки.

У них имеется определенная "упругость".

Фраза, которая, как я думаю, описывает их звучит так: “энергетические нити” (так струнный теоретик Брайан Грин и другие называют их).

Хотя большинство людей представляют частицы в виде шаров материи, физики давно представляют их как пучки волн (называемых волновыми пакетами), которые соответствуют их описанию в виде струн.

(В некоторых других ситуациях, физики могут рассматривать частицы как не имеющие размер вообще, но это - упрощение, чтобы сделать математику и теорию более управляемыми.

Способ, которым физики рассматривают частицы, во многом зависит от ситуации, с которой они сталкиваются.)

Эти интерпретации были выдвинуты независимо Ечиро Намбу, Хольгером Нильсеном и Леонардом Сасскиндом в 1970, получив все три позиции основателей теории струн.

Согласно работе Эйнштейна, масса была формой энергии, понимание, продемонстрированное быстрым созданием атомной бомбы.

Квантовая теория показала физикам, что материя была представлена математикой механики волны, поэтому даже частицу связали с длиной волны.

В теории струн материя снова приобретает новую форму.

Частицы различных типов - различные вибрационные способы этих фундаментальных сущностей: энергетичные канцелярские резинки или струны.

(Классические вибрации и струны обсуждаются в главе 5)

В сущности, чем больше струна вибрирует, тем большей энергией (и следовательно массой) она обладает.

Пройдя через все преобразования, которые теория струн претерпела за годы с момента ее открытия, это центральное понятие остается (довольно) постоянным, хотя в последние годы новые объекты в дополнение к струнам были введены (которые я объясняю в главе 11, когда буду обсуждать браны).

Основная физическая модель не могла быть проще: Частицы и силы в природе действительно взаимодействуют между вибрирующими струнами энергии.

Бозонная теория струн проигрывает Стандартной модели

Дуально-резонансная модель была создана специально для целей объяснения S-матрицы рассеяния частиц, которая в настоящее время объясняется с точки зрения Стандартной модели физики элементарных частиц - калибровочных полей и квантовой хромодинамики.

(См. Главу 8 более подробной об этих понятиях.)

Не было никакого смысла в теории струн в свете успеха Стандартной модели.

Кроме того, поскольку экспериментальные измерения в ускорителях частиц стали более точными, стало ясно, что дуально-резонансные модели были только приблизительно правильными.

В 1969 году физики показали, что Венециано обнаружил только первое слагаемое в бесконечной серии условий.

Хотя это условие было самым важным, оно все еще не была полным.

Теория, казалось, нуждалась в некоторой дальнейшей доработке, чтобы полностью соответствовать результатам.

Условия могут быть добавлены (что и сделал Мичио Каку в 1972 году) с поправкой на различные способы, которыми могли столкнуться струны, но это делало теорию менее изящной.

Появились растущие признаки того, что теория струн может не работать так, как предполагали и что, в действительности, квантовая хромодинамика объяснила поведение столкновения частиц лучше.

Поэтому ранние струнные теоретики потратили много времени, придавая смысл теории, которая, казалось, (почти) точно предсказывает S-матрицу, только чтобы выянить, что изначально большинство физиков не были заинтересованы в ней.

Должно было быть очень неприятно иметь такую элегантную модель, которая быстро рушилась в безвестность.

Но несколько струнных теоретиков не собирались полностью сдаться.

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

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145393

Переводчики: Irina73