Готовый перевод 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

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.

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

• Безмассовые частицы

• Тахионы, которые движутся быстрее скорости света

• Фермионы, такие как электроны, не могут существовать

• 25 пространственных измерений

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

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.

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.

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

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

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

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

Безмассовые частицы

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

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

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

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

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

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

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

Существовала также еще одна, возможно безмассовая частица - гравитон.

Гравитон - теоретический бозон меры, который мог быть ответственен за силу гравитации в соответствии с квантовой теорией поля.

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

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

Тахионы

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

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

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

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

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

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

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).

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

(мнимое число есть квадратный корень из отрицательного числа.)

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

Но что такое мнимая масса? Что такое мнимая энергия? Эти физические невозможные рождают проблемы с тахионами.

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

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

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

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

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

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.

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.

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

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

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

Никаких разрешенных электронов

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

Теория предсказала только существование бозонов, но отнюдь не фермионов.

Фотоны могли существовать, но не кварки или электроны.

У каждой элементарной частице, наблюдаемой в природе, есть свойство-спин, которое является любой целочисленным значением (–1, 0, 1, 2, и так далее) или полуцелочисленным значением (–1⁄2, 1⁄2, и так далее).

Частицы с целым спином являются бозонами, а частицы с полуцелым спином фермионы.

Одним из ключевых открытий физики элементарных частиц является то, что все частицы попадают в одну из этих двух категорий.

Для теории струн применимой к реальному миру она должна была включать оба типа частиц, чего не было в первоначальной формулировке.

Единственными допустимыми частицами для первой модели теории струн были бозоны.

Вот почему она стала известной физикам как теория бозонной струны.

25 пространственных измерения, плюс 1 времени

Измерения кусочки информации необходимые для определения точной точки в пространстве.

(Измерения обычно рассматриваются с точки зрения вверх/вниз, влево/ вправо, вперед/назад.)

В 1974 Клод Лавлейс обнаружил, что теория бозонной струны могла быть физически последовательной лишь при ее формулировки в 25 пространственных измерениях (Глава 13 рассматривает идею дополнительных измерений более подробно), но, насколько нам известно, у нас есть только три пространственные измерения!

Относительность рассматривает пространство и время как континуум координат, т.е. это означает, что у вселенной в теории струн есть в общей сложности 26 измерений, в противоположность тем четырем измерениям, которыми она обладает в соответствии с теориями специальной и общей теории относительности Эйнштейна.

Необычно, что это требование будет подразумевается в теории.

Относительность Эйнштейна имеет три пространственных измерения и одно измерение времени, поскольку именно эти условия, использовались для создания теории.

Он не начал работать над относительности и просто случайно наткнуться на три пространственных измерения, а, скорее, намеренно построил теорию с самого начала.

Если он хотел 2-мерную или 5-мерную относительность, он, возможно, построил бы теорию работающую в этих размерах.

В теории бозонной струны уравнения фактически потребовали определенное количество измерений, чтобы быть математически последовательными.

Теория разваливается при любом другом количестве измерений!

Причина дополнительных измерений

Причину этих дополнительных измерений можно увидеть по аналогии.

Рассмотрим длинную, незакрепленную, гибкую и упругую пружину (подобную игрушке Слинки), похожую на струны теории струн.

Если вы выложите пружину по прямой линии на плоском полу и потяните ее, волны начнут двигаться вдоль пружины.

Это так называемые продольные волны подобные звуковым волнам движущимся в воздухе.

Ключевым есть то, что эти волны или колебания, перемещаются только назад и вперед вдоль пружины.

Другими словами, они - 1-мерные волны.

Теперь представьте, что пружина остается на полу, но кто-то держит каждый конец.

Каждый может двигать концы пружины куда он хочет до тех пор, пока она остается на полу.

Концы могут двигаться влево и вправо или вперед и назад, или в их сочетании.

По мере движения концов пружины волны, которые генерируются требуют двух измерений для описания их движения.

Наконец, представьте, что те кто удерживают концы пружины могут переместить ее куда угодно - влево или вправо, назад или вперед, вверх или вниз.

Волны, генерируемые пружиной потребуют трех измерениях, чтобы объяснить их движения.

Попытки использовать 2-мерные или 1-мерные уравнения, чтобы объяснить их движение не имели бы смысла.

Аналогично, теории бозонной струны требуется 25 пространственных измерений, чтобы суперсимметрия быть полностью последовательной.

(Конформная симметрия это точное название типа симметрии в теории струн, которая требует такого количества измерений.)

Если бы физики не учли какие-либо из тех измерений, это имело бы почти столько же смысла сколько у пытающегося проанализировать 3-мерную пружину только в одном измерении... чтобы не сказать, ни в одном вообще.

Контакты с дополнительными измерениями

Физическая концепция этих дополнительных измерений была (и остается) самой сложной частью теоретического осмысления.

Все могут понять три пространственных измерения и измерения времени.

Дай мне широту, долготу, высоту и время, и я могу встретиться с вами в любой точке планеты.

Вы можете измерить высоту, ширину и длину, и вы ощущаете течение времени, таким образом, у вас имеется постоянное знакомство с тем, что представляют эти измерения.

Что же относительно других 22 пространственных измерений? Было ясно, что эти измерения, так или иначе, должны были быть скрыты.

Теория Калуцы-Клейна предсказала, что дополнительные измерения были свернуты, но свертывание их правильным способом для достижения результатов которые имели бы смысл было трудным.

Это было достигнуто в теории струн в середине 1980-х годов за счет использования Калаби-Яу, о чем будет сказано ниже в этой главе.

Ни у кого нет опыта работы с этими странными иными измерениями.

Идея, выходящая за отношения симметрии, связанная с относительно неясной новой теоретической физической гипотезой, конечно, не предлагала достаточной мотивации для принятия ее физиками.

И более десяти лет большинство физиков ей не занимались.

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

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145394

Переводчики: Irina73, MaryLovett