Струнный концерт для вселенной: может быть, или неможет быть? вот вчем вопрос

      Комментарии к записи Струнный концерт для вселенной: может быть, или неможет быть? вот вчем вопрос отключены

Струнный концерт для вселенной: может быть, или неможет быть? вот вчем вопрос

Во второй половине 60-ых годов XX века два молодых теоретика из ЦЕРНа, Габриэле Венециано и Махико Сузуки, занимались матанализом столкновений пионов (в устаревшей номенклатуре — пи-мезонов). Подобные квантовые коллизии обрисовывают посредством матрицы рассеяния, которая разрешает отыскать возможности переходов сталкивающихся частиц из начальных состояний в конечные.

В каждом случае ее в большинстве случаев вычисляют только приближенно. Венециано и Сузуки независимо друг от друга увидели, что амплитуду парного рассеяния высокоэнергетичных пионов возможно весьма совершенно верно выразить посредством неизвестной бета-функции, которую в первой половине 30-ых годов восемнадцатого века придумал Леонард Эйлер. В чистом виде ее применяют редко, и говорят, что церновские физики наткнулись на бета-функцию случайно, просматривая математические справочники. Это событие позвало в физике элементарных частиц большую сенсацию.

Скоро другие теоретики установили, что амплитуда пион-пионного рассеяния в действительности задается разложением в нескончаемый последовательность, первый и главный член которого именно и сходится с формулой Венециано-Сузуки.

А в первой половине 70-ых годов XX века Ёчиро Намбу, Тецуо Гото, Леонард Сасскинд и Хольгер Нильсен нашли воистину необычную вещь. Они вывели эту же формулу, предположив, что сотрудничество между сталкивающимися пионами появляется по причине того, что их соединяет вечно узкая колеблющаяся нить, подчиняющаяся законам квантовой механики.

Данный неожиданный итог дал толчок изобретению моделей, воображающих элементарные частицы в виде сверхмикроскопических одномерных камертонов, вибрирующих на определенных нотах. Их-то и нарекли струнами.

Лишние шесть измерений

Первая версия теории струн стала называться бозонной, поскольку имела дело лишь с целочисленными поясницами. Но в первой половине 70-ых годов двадцатого века Джон Шварц, Андре Невё и Пьер Рамон нашли обобщение струнной концепции, которая обрисовывала как бозоны, так и фермионы, частицы с полуцелым поясницей. В данной модели с каждой бозонной струнной вибрацией сочетается парная ей фермионная. В квантовой теории поля такое соответствие между фермионами и бозонами именуют суперсимметрией.

Исходя из этого новую версию нарекли суперсимметричной теорией струн либо, меньше, теорией суперструн.

Изначально в ней видели кандидата на неспециализированную теорию сильного сотрудничества между элементарными частицами. Но именно в начале 1970-х показалась квантовая хромодинамика, очень действенный метод описания сильных сотрудничеств, основанный на кварковой модели. Она замечательно согласовывалась с опытами и к тому же не выходила за рамки квантовой теории поля, каковые считались универсальной базой фундаментальных объяснений микромира.

Теория струн на этом фоне смотрелась чистой экзотикой, которая к тому же не имела возможности похвастаться ни внутренней стройностью, ни экспериментальными подтверждениями. Исходя из этого практически все эксперты ее .

Юная теория сразу же столкнулась и с трудностями иного рода. В том же 1970 году американец Клод Лавлейс увидел, что модель Венециано математически корректна лишь , если пространственно-временной континуум есть 26-мерным. Это еще возможно было пережить, но скоро Шварц, Невё и Рамон ввели в теорию струн спин и доказали, что в таком виде она может реализоваться лишь в десятимерном пространстве-времени, вмещающем девять пространственных измерений и одно временное.

Это был шок: физикам еще ни разу не приходилось сталкиваться с теорией, которая бы сама выбирала размерность. Уравнения механики Ньютона, максвелловской электромагнитной теории, СТО, ОТО и квантовой электродинамики возможно написать для любого числа измерений, и они будут трудиться. А теория суперструн обязательно потребовала для себя пространства-времени одной определенной размерности и ни на какое иное совсем не соглашалась (причем потребовала не привычное 4-мерное пространство-время).

6 измерений были лишними, и над «струнниками» стали посмеиваться. Шварц вспоминал, что Ричард Фейнман как-то ехидно поинтересовался у него: «Ну, Джон, так в каких измерениях вы живете сейчас?» Казалось, что модели суперструн так и суждено остаться чисто интеллектуальным упражнением, что часто бывает в теорфизике.

Спасительная гравитация

Спасение пришло с неожиданной стороны. при ответе струнных уравнений оказались замкнутые кольца, которым соответствовали малоизвестные науке безмассовые частицы со поясницей 2. Все попытки от них избавиться ни к чему не приводили — теория попросту рассыпалась. Эти частицы бесполезно пробовали найти в опытах на ускорителях. Но Шварц и его парижский сотрудник Джоэл Шерк выдвинули храбрую догадку, которая разрешила это затруднение и представила всю теорию струн в совсем новом свете.

Теоретики много лет пробовали отыскать квантовую версию неспециализированной теории относительности. Эта задача была и остается орешком особенной твердости. Уравнения ОТО предвещают существование гравитационных волн, каковые при квантовании преобразовываются в гравитоны, переносчики силы тяготения. Фактически все теоретики были согласны, что гравитонам положено владеть двойным спином и нулевой массой.

И вот в первой половине 70-ых годов XX века Шварц с Шерком объявили, что загадочная безмассовая частица струнной модели и имеется гравитон! Из этого следовало, что теория струн — это не способ описания сильных сотрудничеств, а математический каркас для конструирования квантовой теории тяготения. Она не соперник квантовой хромодинамике, ее задача — объединить все стать и фундаментальные взаимодействия Теорией Всего.

Столь неслабую заявку сперва практически никто не поддержал. Высказывалось вывод, что «струнники» потерпели неудачу на сильных сотрудничествах и сейчас отчаянно пробуют отыскать для собственной модели новое использование. К тому же Шварц и Шерк заключили , что протяженность струны должна быть равна 10−33 см. С объектами таких размеров физика ни при каких обстоятельствах не имела дела.

К тому же в теории суперструн обнаружились пренеприятные странности, к примеру нарушения закона сохранения энергии. И исходя из этого большая часть теоретиков предпочло трудиться над объединением квантовой теории и хромодинамики электрослабых сотрудничеств, которое в середине 1970-х стало причиной появлению успешной Стандартной модели элементарных частиц.

Но горсточка энтузиастов работала , и в итоге к ним пришла успех. В первой половине 80-ых годов XX века Джон Майкл и Шварц Грин доказали, что странности теории суперструн взаимно аннулируют друг друга. В следствии интерес к ней возродился, и к середине 1990-х она уже существовала в пяти разных формулировках.

Разнобой продержался недолго: в 1995 году Эдуард Виттен установил, что эти формулировки являются различными воплощениями единой суперструнной модели, которую он назвал М-теорией (из-за чего — не в полной мере светло).

Одиннадцатое измерение

Виттен сделал кроме того больше. Правильные уравнения теории суперструн сложны и не хорошо поддаются интерпретации, и физики предпочитали их приближенные предположения. В некоторых формулировках теории струн оказались предельные случаи, каковые додавали к ней еще одно пространственное измерение.

Виттен продемонстрировал, что это не случайность: теория суперструн с 10-мерным пространством-временем была только аппроксимацией более полной 11-мерной структуры!

Результат стал причиной глубокой перестройке баз теории. Виттен, Пол Таунсенд и еще пара физиков добавили к одномерным струнам пространственные многообразия с солидным числом измерений. Двумерные объекты нарекли мембранами, либо 2-бранами, трехмерные — 3-бранами, структуры с размерностью p — p-бранами.

Теория струн превратилась в теорию бран произвольной размерности — от 1 до 9. Но одномерные струны все равно остаются главными: как раз их вибрации и проявляют себя в виде элементарных частиц. А вот браны ограничивают свободу струнных перемещений, причем лишь струн со свободными финишами. Джозеф Полчински доказал, что оба финиша таких струн неизменно закреплены или на одной и той же направляться, или на двух бранах, причем не обязательно однообразной размерности.

Замкнутые в кольца струны финишей не имеют и смогут гулять сами по себе, как кошка у Киплинга.

Узники 3-браны

Это событие крайне важно. В большинстве случаев пишут, что мы не чувствуем присутствия шести либо семи дополнительных пространственных измерений по причине того, что они свернуты в ультрамикроскопические клубки (компактифицированы), каковые все отечественные измерительные инструменты, от микроскопов до сверхмощных ускорителей, не отличают от геометрических точек. Такая интерпретация стандартна, но не необходима: электроны, прочие частицы и кварки материи представлены струнами со свободными финишами.

Это справедливо и в отношении переносчиков электромагнитного сотрудничества (фотонов), сильного (глюонов) и не сильный (W- и Z-бозонов). В случае если пространство отечественной Вселенной — это 3-брана (что правдоподобно) и в случае если все «отечественные» частицы укоренены в ней обоими финишами, они не смогут ее покинуть и уйти в другие многообразия. Выходит, что мы закрыты в собственном пространстве не по причине того, что из него некуда выйти, а вследствие того что оно нас от себя не отпускает. У пленников замка Иф шансов на побег было побольше

Но шансы прощупать высшие измерения все же имеются. Гравитоны — это закольцованные струны, и потому бранные границы им не помеха. Они смогут покидать отечественную 3-брану и уходить в другие измерения. Но в случае если переносчики гравитации способны на это, то сила тяготения обязана убывать с повышением расстояния не по ньютоновскому закону обратных квадратов, а значительно стремительнее!

То, что мы этого не подмечаем, может свидетельствовать о компактификации дополнительных измерений, что постоянно принимала «до-на данный момент» теория суперструн. В этом случае отклонения от ньютоновской формулы должны проявляться только на малых расстояниях. До тех пор пока что она проверена с точностью до 0,1 мм и аберраций не найдено. Так что возможно высказать предположение, что масштаб высших измерений намного меньше.

Но имеется и другие интерпретации. Семь лет назад гарвардский теоретик Лиза Рандалл и ее сотрудник Раман Сандрум заключили , что отечественная 3-брана в состоянии удерживать гравитоны своим собственным притяжением. В случае если это так, то внешние измерения смогут быть хоть вечно громадными, а закон Ньютона все равно будет выполняться на любых расстояниях.

В расцвете лет

Теории суперструн в текущем году исполняется 35 лет. К чему она пришла и что еще нужно сделать? Вот что вычисляет один из самых активных и влиятельных «струнников» отечественных дней, доктор наук теоретической физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джозеф Полчински: «Теория струн, не обращая внимания на собственную необычную историю, появилась не на безлюдном месте. Пускай ее созданию помог случай, но одновременно с этим оно было неизбежным.

Уверен, что данной теории суждено великое будущее. Основное ее достижение в том, что она открыла путь к построению квантовой теории гравитации. На второе место я бы поставил объединение в единой математической структуре всех четырех фундаментальных сотрудничеств.

Третий успех: теория струн разрешила возможность разделаться с большинством парадоксов, появляющихся при конструировании квантовых моделей черных дыр. Четвертый: она очень элегантно обогатила и расширила язык квантовой теории поля и всей математической физики. И наконец, сейчас теория струн сильно помогла современной космологии.

В частности, разрешила лучше обосновать и проработать концепцию множественного рождения разных вселенных, которую в рамках инфляционной космологии уже давно развивает Андрей Линде.

Что же касается неприятностей Теория струн создавалась по частям, по кусочкам. Не смотря на то, что на данный момент мы понимаем ее значительно лучше, чем раньше, мы еще не создали главные математические структуры, каковые имели возможность бы лечь в ее базу. В случае если квантовая механика и ОТО начались с неспециализированных уравнений, за которыми последовали приложения, то теория струн пока не отыскала таковой формулировки.

Помимо этого, неясно, как подтвердить ее экспериментально. Такие подтверждения в принципе смогут прийти как со стороны космологии либо астрофизических наблюдений, так и со стороны физического опыта. Но до тех пор пока теория струн не дает контролируемых предсказаний.

Имеется и еще одна своеобразная неприятность. с покон веков считалось, что окончательная теория микромира разрешит вывести из первых правил главные характеристики фундаментальных частиц и взаимодействий — скажем, заряд и массу электрона. Но из концепции мультивселенной направляться существование огромного разнообразия миров с непохожими физическими законами.

В этом случае физические параметры как раз отечественной Вселенной в принципе невычислимы, потому, что появились случайным образом, за счет квантовых флуктуаций, запустивших процесс ее рождения. В общем, тут нет ничего необыкновенного, квантовая механика в далеком прошлом установила, что всё угадать нереально. Но физики пара десятилетий сохраняли надежду когда-нибудь совсем растолковать устройство отечественного мира, и отказ от этого идеала многих шокирует.

Я надеюсь, что со временем мы сможем сообщить, какие конкретно его черты чисто случайны, а какие конкретно вытекают из тех либо иных глубоких закономерностей рождения вселенных, пока еще нами не осознанных. Но вот случится ли это через десять либо пятьдесят лет, делать выводы я не берусь».

Возможности

В рамках М-теории выполнены работы, каковые стали причиной переоценке протяженности струн. Пара теоретиков заключили , что верхний предел длин невозбужденных струн образовывает не 10−33 см, а «всего лишь» 10−16 см. Само собой разумеется, и эта величина мала кроме того по стандартам мира элементарных частиц, но наконец-то она лишь тысячекратно уступает размеру протона.

Такая оценка увеличивает шансы найти проявления струнной природы частиц в опытах на ускорителях нового поколения.

Из струнной модели выводится и вся хорошая релятивистская теория тяготения, неспециализированная теория относительности. Виттен как-то увидел, что, если бы ОТО не создал Эйнштейн, она в полной мере имела возможность бы показаться как побочный продукт теории суперструн. А в 2003 году Андрей Линде и его сотрудники взяли еще один сильный итог: они продемонстрировали, что теория струн позволяет ввести в эйнштейновское уравнение энергию физического вакуума, плотность которой только весьма ненамного превышает нуль.

Добавка этого слагаемого разрешает растолковать повышение скорости расширения Вселенной, которое было открыто в прошлом десятилетии.

О возможностях струнной теории «Популярной механике» поведал Андрей Линде, доктор наук Стэнфордского университета и отечественный соотечественник: «Теория суперструн сама по себе есть превосходным интеллектуальным достижением. За последние 20 лет это наилучшее, что люди смогли сделать в области фундаментальной теоретической физики. Иначе, она до сих пор не имеет возможности предъявить ни одного экспериментального результата, что бы из нее следовал.

Дело в том, что ее главные черты относятся к энергиям, каковые на сейчас действующих ускорителях труднодоступны. на данный момент в Женеве строят новый ускоритель, Большой адронный коллайдер (LHC — Large Hadron Collider). Возможно, на нем найдут что-нибудь тесно связанное с теорией суперструн, к примеру суперпартнеров простых частиц.

В случае если это случится, теория возьмёт сильное подспорье. В случае если нет, это многих обескуражит. Кое-какие опасаются, что такая красивая сама по себе теория будет смотреться как прекрасная математика, неизвестно как именно связанная с физикой.

Но у теории струн столько занимательнейших интеллектуальных возможностей, что ею всё равняется будут заниматься».

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№41, март 2006).

(9/14) Вельвет — Live@16 Tонн. То чего не может быть


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: