String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Why Bosonic String Theory Doesn’t Describe Our Universe

Почему теория бозонной струны не описывает нашу вселенную

Irina73 08.10.14 в 13:28

К 1974 году теория бозонной струны стала быстро стремиться к математическому беспорядку, а попытки сделать теорию математически последовательной вызывали еще больше проблем для модели чем уже имелось.

Irina73 08.10.14 в 13:31

Игры с математикой, которые ввели четыре обязательных обстоятельства, означали конец ранней теории струн:

Irina73 08.10.14 в 13:37

• Безмассовые частицы

Irina73 08.10.14 в 13:37

• Тахионы, которые движутся быстрее скорости света

Irina73 08.10.14 в 13:40

• Фермионы, такие как электроны, не могут существовать

Irina73 08.10.14 в 13:40

• 25 пространственных измерений

Irina73 08.10.14 в 13:40

Причиной этих проблем было разумное ограничение, встроенное в теорию струн.

Irina73 08.10.14 в 13:41

Независимо от того, что еще предлагала теория струн, она должно была быть совместимой с существующей физикой — а именно, со специальной теорией относительности и квантовой теорией.

Irina73 08.10.14 в 13:44

Стандартная модель физики элементарных частиц была совместима с обеими теориями (хотя она все еще испытывала затруднения в согласовании с общей теории относительности), соответственно и теория струн также должна была быть совместима с ними обоими.

Irina73 08.10.14 в 13:49

Если она разрушала полвека устоявшейся физики, не было способа сделать ее жизнеспособной.

Irina73 08.10.14 в 13:51

Физики в конечном счете нашли способы модифицировать теорию в соответствии с этими существующими физическими законами.

Irina73 08.10.14 в 13:52

К сожалению, эти изменения вылились в четыре проблемных особенности изложенные в общих чертах в списке.

Irina73 08.10.14 в 13:56

Не потому что эти особенности были возможны, однако тогда казалось они были основными компонентами теории.

Irina73 08.10.14 в 13:58

Безмассовые частицы

Irina73 08.10.14 в 13:58

Один из побочных эффектов создания последовательной теории струн состоит в том, что она содержит определенные объекты, которые никогда не могут быть в состоянии покоя.

Irina73 08.10.14 в 14:02

Поскольку масса является мерой объекта когда он находится в состоянии покоя эти виды частиц называют безмассовыми частицами.

Irina73 08.10.14 в 14:04

Это было бы основной проблемой для теории струн, если бы предсказанные безмассовые частицы в действительности не существовали.

Irina73 08.10.14 в 14:06

Однако, в целом, это не было жутко тревожной проблемой, поскольку ученые наверняка знают о существовании как минимум одной частицы только в состоянии движения - фотона.

Irina73 08.10.14 в 14:09

(Глюон, хотя и не известный наверняка в то время, также является безмассовой частицей.)

Irina73 08.10.14 в 14:10

В стандартной модели физики элементарных частиц в то время, предполагалось, что у частицы, названной нейтрино, могла бы быть нулевая масса.

Irina73 08.10.14 в 14:13

(Сегодня мы знаем, что масса нейтрино немного выше нуля.)

Irina73 08.10.14 в 14:13

Существовала также еще одна, возможно безмассовая частица - гравитон.

Irina73 08.10.14 в 14:15

Гравитон является теоретическим калибровочным бозоном, который может быть ответственным за силу тяжести в соответствии с квантовой теорией поля.

Irina73 08.10.14 в 14:23

Существование безмассовых частиц в теории струн было неудобным, но это было преодолимой проблемой.

Irina73 08.10.14 в 14:17

Струнные теоретики должны были раскрыть свойства безмассовых частиц и доказать, что их свойства совместимы с известной вселенной.

Irina73 08.10.14 в 14:25

Тахионы

Irina73 08.10.14 в 13:59

Более серьезной проблемой, чем безмассовые частицы был тахион, частица предсказанная теорией бозонной струны, которая движется быстрее, чем скорость света.

Irina73 09.10.14 в 11:00

В соответствии с последовательной теорией бозонной струны математические формулы потребовали, чтобы тахионы существовали, но присутствие тахионов в теории представляет фундаментальную нестабильность в теории.

Irina73 09.10.14 в 11:07

Согласно решениям, которые содержат тахионы, они будут всегда распадаться в другое, более низкое энергетическое состояние — возможно в бесконечном цикле.

Irina73 09.10.14 в 11:07

По этой причине физики не верят что тахионы действительно существуют, даже если теория первоначально предполагает, что она содержит такие частицы.

Irina73 09.10.14 в 11:10

Строго говоря, теория относительности Эйнштейна не абсолютно запрещает объекту путешествие быстрее, чем скорость света.

Irina73 09.10.14 в 11:12

Она говорит, что для этого объекту потребуется бесконечное количество энергии чтобы разогнаться до скорости света.

Irina73 09.10.14 в 11:14

Поэтому, в некотором смысле, тахион все еще был бы совместим с относительностью, потому что он будет всегда перемещаться быстрее, чем скорость света (и никогда не должен был бы ускоряться до этой скорости).

Irina73 09.10.14 в 11:16

Математически при расчете массы тахиона и энергии, используя относительность, он будет содержать мнимые числа.

Irina73 09.10.14 в 11:16

(мнимое число есть квадратный корень из отрицательного числа.)

Irina73 09.10.14 в 11:17

Это было подобно струнным уравнениям теории предсказывающих тахион: Они были последовательны, только если частицы с мнимой массой существовали.

Irina73 13.10.14 в 07:37

Но что такое воображаемая масса? Что такое воображаемая энергия? Эта физическая невозможность дает начало проблемам с тахионами.

Irina73 13.10.14 в 07:22

Наличие тахионов ни в коем случае не является уникальным для бозонный теории струн.

Irina73 13.10.14 в 07:24

Например, Стандартная модель содержит определенный вакуум, в котором бозон Хиггса на самом деле также типичный тахион.

Irina73 13.10.14 в 07:27

В данном случае теория не противоречива; это просто означает, что решение, которое было применено не было одним решением.

Irina73 13.10.14 в 07:28

Это как пытаться установить мяч на верхней части холма - любое незначительное движение заставит мяч скатиться вниз.

Irina73 13.10.14 в 07:31

Кроме того, это тахионное решение преобразовывается в стабильное решение без тахионов.

Irina73 13.10.14 в 07:33

К сожалению, в случае бозонный теории струн, невозможно выяснить, что произошло во время распада, или даже если решение оказалось стабильным, после перехода в более низкое энергетическое состояние.

Irina73 13.10.14 в 08:05

С учетом всех этих проблем, физики не рассматривали эти тахионы как реально существующие частицы, а, скорее, как математические артефакты, которые выпадают из теории как признак определенных типов, присущих нестабильности.

Irina73 13.10.14 в 08:08

Любые решения, которые содержат тахионы быстро, распадаются из-за этой нестабильности.

Irina73 13.10.14 в 08:09

Некоторые физики (и писатели-фантасты) исследовали концепции которые дадут возможность рассматривать тахионы как реальные частицы, спекулятивные концепции о которых вкратце говорится в Главе 16.

Irina73 13.10.14 в 08:15

Но на данный момент, просто учтите, что тахионы были одной из проблем, которая заставила физиков того времени решить, что теория бозонной струны была неудачей.

Irina73 13.10.14 в 08:18

Никаких разрешенных электронов

Irina73 13.10.14 в 08:19

Реальным недостатком бозонной теории струн был тот, чье имя она носила.

Irina73 13.10.14 в 08:21