Лекция
Привет, сегодня поговорим про теория струн, обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое теория струн, компактификация , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Теория струн и суперструн.
теория струн — направление теоретической физики, изучающее динамику взаимодействия не точечных частиц , а одномерных протяженных объектов, так называемых квантовых струн . Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на ее основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации .
Теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и ихфундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядкапланковской длины 10−35 м . Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностей квантовой теории поля, как перенормировка , а с другой стороны, приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени . Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано , связанных со струнными моделями строенияадронов. Середина 1980-х и середина 1990-х ознаменовались бурным развитием теории струн, ожидалось, что в ближайшее время на основе теории струн будет сформулирована так называемая «единая теория», или «теория всего» , поискам которой Эйнштейн безуспешно посвятил десятилетия . Но, несмотря на математическую строгость и целостность теории, пока не найдены варианты экспериментального подтверждения теории струн . Возникшая для описания адронной физики, но не вполне подошедшая для этого, теория оказалась в своего рода экспериментальном вакууме описания всех взаимодействий.
Одна из основных проблем при попытке описать процедуру редукции струнных теорий из размерности 26 или 10 в низкоэнергетическую физику размерности 4 заключается в большом количестве вариантов компактификаций дополнительных измерений на многообразия Калаби — Яу и на орбифолды, которые, вероятно, являются частными предельными случаями пространств Калаби — Яу[10]. Большое число возможных решений с конца 1970-х и начала 1980-х годов создало проблему, известную под названием «проблема ландшафта»[11], в связи с чем некоторые ученые сомневаются, заслуживает ли теория струн статуса научной[12].
Несмотря на эти трудности, разработка теории струн стимулировала развитие математических формализмов, в основном — алгебраической и дифференциальной геометрии, топологии, а также позволила глубже понять структуру предшествующих ей теорий квантовой гравитации . Развитие теории струн продолжается, и есть надежда , что недостающие элементы струнных теорий и соответствующие феномены будут найдены в ближайшем будущем, в том числе в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере[13].
Если бы существовал явный механизм экстраполяции струн в низкоэнергетическую физику, то теория струн представила бы нам все фундаментальные частицы и их взаимодействия в виде ограничений на спектры возбуждений нелокальныходномерных объектов. Характерные размеры компактифицированных струн чрезвычайно малы, порядка 10−33 см (порядка планковской длины)[14], поэтому они недоступны наблюдению в эксперименте . Аналогично колебаниям струн музыкальных инструментов спектральные составляющие струн возможны только для определенных частот (квантовых амплитуд). Чем больше частота, тем больше энергия, накопленная в таком колебании[15], и, в соответствии с формулой E=mc², тем большемасса частицы, в роли которой проявляет себя колеблющаяся струна в наблюдаемом мире. Параметром, аналогичным частоте для осциллятора, для струны является квадрат массы[16].
Непротиворечивые и самосогласованные квантовые теории струн возможны лишь в пространствах высшей размерности (больше четырех, учитывая размерность, связанную со временем). В связи с этим в струнной физике открыт вопрос о размерности пространства-времени[17]. То, что в макроскопическом (непосредственно наблюдаемом) мире дополнительные пространственные измерения не наблюдаются, объясняется в струнных теориях одним из двух возможных механизмов: компактификация этих измерений — скручивание до размеров порядка планковской длины, или локализация всех частиц многомерной вселенной (мультивселенной) на четырехмерном мировом листе, который и являет собой наблюдаемую часть мультивселенной. Предполагается, что высшие размерности могут проявляться во взаимодействиях элементарных частиц при высоких энергиях, однако до сих пор экспериментальные указания на такие проявления отсутствуют.
При построении теории струн различают подход первичного и вторичного квантования. Последний оперирует понятием струнного поля − функционала на пространстве петель, подобно квантовой теории поля. В формализме первичного квантования математическими методами описывается движение пробной струны во внешних струнных полях, при этом не исключается взаимодействие между струнами, в том числе распад и объединение струн. Подход первичного квантования связывает теорию струн с обычной теорией поля на мировой поверхности .
Наиболее реалистичные теории струн в качестве обязательного элемента включают суперсимметрию, поэтому такие теории называются суперструнными[18]. Набор частиц и взаимодействий между ними, наблюдающийся при относительно низких энергиях, практически воспроизводит структуру стандартной модели в физике элементарных частиц, причем многие свойствастандартной модели получают изящное объяснение в рамках суперструнных теорий. Тем не менее до сих пор нет принципов, с помощью которых можно было бы объяснить те или иные ограничения струнных теорий, чтобы получить некое подобие стандартной модели[19].
В середине 1980-х годов Майкл Грин и Джон Шварц пришли к выводу, что суперсимметрия, являющаяся центральным звеном теории струн, может быть включена в нее не одним, а двумя способами: первый — это суперсимметрия мировой поверхности струны , второй — пространственно-временная суперсимметрия[20]. В своей основе данные способы введения суперсимметрии связывают методы конформной теории поля со стандартными методами квантовой теории поля[21][22]. Технические особенности реализации данных способов введения суперсимметрии обусловили возникновение пяти различных теорий суперструн — типа I, типов IIA и IIB, и двух гетеротических струнных теорий[23]. Возникший в результате этого всплеск интереса к теории струн был назван «первой суперструнной революцией». Все эти модели формулируются в 10-мерном пространстве-времени, однако различаются струнными спектрами и калибровочными группами симметрии. Заложенная в 1970-х и развитая в 1980-х годах конструкция 11-мерной супергравитации[24], а также необычные топологические двойственности фазовых переменных в теории струн в середине 1990-х привели ко «второй суперструнной революции». Выяснилось, что все эти теории, на самом деле, тесно связаны друг с другом благодаря определенным дуальностям[25]. Было высказано предположение, что все пять теорий являются различными предельными случаями единой фундаментальной теории, получившей название М-теории. В настоящее время ведутся поиски адекватного математического языка для формулировки этой теории[19].
Струны как фундаментальные объекты были первоначально введены в физику элементарных частиц для объяснения особенностей строения адронов, в частности пионов.
В 1960-х годах была обнаружена зависимость между спином адрона и его массой (график Чу — Фраучи)[26][27]. Это наблюдение привело к созданию теории Редже, в которой разные адроны рассматривались не как элементарные частицы, а как различные проявления единого протяженного объекта — реджеона. В последующие годы усилиями Габриэле Венециано, Ёитиро Намбу,Холгера Бех Нильсена и Леонарда Сасскинда была выведена формула для рассеяния реджеонов и была дана струнная интерпретация протекающих при этом явлений.
В 1968 году Габриэле Венециано и Махико Судзуки при попытке анализа процесса столкновений пи-мезонов (пионов) обнаружили, что амплитуда парного рассеивания высокоэнергетических пионов весьма точно описывается одной из бета-функций, введенныхЛеонардом Эйлером в 1730 году. Позже было установлено, что амплитуда парного пионного рассеивания может быть разложена в бесконечный ряд, начало которого совпадает с формулой Венециано — Судзуки[28].
В 1970 году Ёитиро Намбу, Тэцуо Гото, Холгер Бех Нильсен и Леонард Сасскинд выдвинули идею, что взаимодействие между сталкивающимися пионами возникает вследствие того, что эти пионы соединяет «бесконечно тонкая колеблющаяся нить». Полагая, что эта «нить» подчиняется законам квантовой механики, они вывели формулу, совпадающую с формулой Венециано — Судзуки. Таким образом, появились модели, в которых элементарные частицы представляются в виде одномерныхструн, которые вибрируют на определенных нотах (частотах)[28].
С наступлением эры квантовой хромодинамики научное сообщество утратило интерес к теории струн в адронной физике вплоть до 80-х гг. XX в.
К 1974 году стало ясно, что струнные теории, основанные на формулах Венециано, реализуются в размерности пространства большей, чем 4: модель Венециано и модель Шапиро — Вирасоро (S-V) в размерности 26, а модель Рамо́на — Невье — Шварца (R-NS) в 10, и все они предсказывают тахионы[29]. Скорость тахионов превышает скорость света в вакууме, а потому их существование противоречит принципу причинности, который, в свою очередь нарушается в микромире. Таким образом, не имеется никаких убедительных (в первую очередь, экспериментальных) доказательств существования тахиона, равно как и логически неуязвимых опровержений[30]. На данный момент считается более предпочтительным не использовать идею тахионов при построении физических теорий. Решение проблемы тахионов основано на работах по пространственно-временной глобальной (не зависящей от координат) суперсимметрии Весса и Зумино (1974 год).[31]. В 1977 году Глиоцци, Шерк и Олив (GSO проекция) ввели в модель R-NS специальную проекцию для струнных переменных, которая позволила устранить тахион и по существу давала суперсимметричную струну[32]. В 1981 году Грину и Шварцу удалось описать GSO проекцию в терминах D-мерной суперсимметрии и чуть позже ввести принцип устранения аномалий в теориях струн[33].
В 1974 году Джон Шварц и Жоэль Шерк, а также независимо от них Тамиаки Ёнэя, изучая свойства некоторых струнных вибраций, обнаружили, что они в точности соответствуют свойствам гипотетической частицы − кванта гравитационного поля, которая называется гравитон[34]. Шварц и Шерк утверждали, что теория струн первоначально потерпела неудачу потому, что физики недооценили ее масштаб[19]. На основе данной модели была создана теория бозонных струн , которая по-прежнему остается первым вариантом теории струн, который преподают студентам[35]. Эта теория формулируется в терминах действия Полякова, с помощью которого можно предсказывать движение струны в пространстве и времени. Процедура квантования действия Полякова приводит к тому, что струна может вибрировать различными способами и каждый способ ее вибрации генерирует отдельную элементарную частицу. Масса частицы и характеристики ее взаимодействия определяются способом вибрации струны, или своеобразной «нотой», которая извлекается из струны. Получающаяся таким образом гамма называется спектром масс теории струн.
Первоначальные модели включали как открытые струны, то есть нити, имеющие два свободных конца, так и замкнутые, то есть петли. Эти два типа струн ведут себя по-разному и генерируют два различных спектра. Не все современные теории струн используют оба типа, некоторые обходятся только замкнутыми струнами.
Теория бозонных струн не лишена проблем. Прежде всего, теория обладает фундаментальной нестабильностью, которая предполагает распад самого пространства-времени. Кроме того, как следует из ее названия, спектр частиц ограничивается только бозонами. Несмотря на то, что бозоны представляют собой важный ингредиент мироздания, Вселенная состоит не только из них. Также она предсказывает несуществующую частицу с отрицательным квадратом массы - тахион[16]. Исследования того, каким образом можно включить в спектр теории струн фермионы, привело к понятию суперсимметрии — теории взаимосвязи бозонов и фермионов, которая теперь имеет самостоятельное значение. Теории, включающие в себя фермионные вибрации струн, называются суперструнными теориями[36].
В 1984—1986 гг. физики поняли, что теория струн могла бы описать все элементарные частицы и взаимодействия между ними, и сотни ученых начали работу над теорией струн как наиболее перспективной идеей объединения физических теорий. Начало этойпервой суперструнной революции положило открытие в 1984 году Майклом Грином и Джоном Шварцем явления сокращения аномалий в теории струн типа I. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Механизм этого сокращения носит название механизма Грина — Шварца. Другие значительные открытия, например, открытие гетеротической струны, были сделаны в 1985 г.[19].
В середине 1990-х Эдвард Виттен, Джозеф Полчински и другие физики обнаружили веские доказательства того, что различные суперструнные теории представляют собой различные предельные случаи не разработанной пока 11-мерной М-теории. Это открытие ознаменовало собой вторую суперструнную революцию. Последние исследования теории струн (точнее, М-теории) затрагивают D-браны, многомерные объекты, существование которых вытекает из включения в теорию открытых струн[19].
В 1997 году Хуан Малдасена обнаружил взаимосвязь между теорией струн и калибровочной теорией, которая называется N=4 суперсимметричная теория Янга — Миллса . Эта взаимосвязь, которая называется AdS/CFT-соответствием (сокращение терминов anti de Sitter space — пространство анти-де-Ситтера, и conformal field theory —конформная теория поля), привлекла большой интерес струнного сообщества и сейчас активно изучается[37]. AdS/CFT-соответствие является конкретной реализацией голографического принципа, который имеет далеко идущие следствия в отношении черных дыр, локальности и информации в физике, а также природы гравитационного взаимодействия.
В 2003 году открытие ландшафта теории струн, означающего существование в теории струн экспоненциально большого числа неэквивалентных ложных вакуумов[38][39][40], дало начало дискуссии о том, что в итоге может предсказать теория струн и каким образом может измениться струнная космология (подробнее см. ниже).
Среди многих свойств теории струн особенно важны три нижеследующих:
| Тип | Число измерений пространства-времени | Характеристика |
|---|---|---|
| Бозонная | 26 | Описывает только бозоны, нет фермионов; струны как открытые, так и замкнутые; основной недостаток: частица с мнимой массой, движущаяся со скоростью, большей скорости света, — тахион |
| I | 10 | Включает суперсимметрию; струны как открытые, так и замкнутые; отсутствует тахион; групповая симметрия — SO(32) |
| IIA | 10 | Включает суперсимметрию; струны только замкнутые; отсутствует тахион; безмассовые фермионы нехиральны |
| IIB | 10 | Включает суперсимметрию; струны только замкнутые; отсутствует тахион; безмассовые фермионы хиральны |
| HO | 10 | Включает суперсимметрию; струны только замкнутые; отсутствует тахион; теория гетеротическая: струны, колеблющиеся по часовой стрелке, отличаются от струн, колеблющихся против; групповая симметрия — SO(32) |
| HE | 10 | Включает суперсимметрию; струны только замкнутые; отсутствует тахион; теория гетеротическая: струны, колеблющиеся по часовой стрелке, отличаются от струн, колеблющихся против; групповая симметрия — E8×E8 |
Несмотря на то, что понимание деталей суперструнных теорий требует серьезной математической подготовки, некоторые качественные свойства квантовых струн можно понять на интуитивном уровне. Так, квантовые струны, как и обычные струны, обладают упругостью, которая считается фундаментальным параметром теории. Упругость квантовой струны тесно связана с ее размером. Рассмотрим замкнутую струну, к которой не приложены никакие силы. Упругость струны будет стремиться стянуть ее в более мелкую петлю вплоть до размера точки. Однако это нарушило бы один из фундаментальных принципов квантовой механики — принцип неопределенности Гейзенберга. Характерный размер струнной петли получится в результате балансирования между силой упругости, сокращающей струну, и эффектом неопределенности, растягивающим струну.
Благодаря протяженности струны решается проблема ультрафиолетовых расходимостей в квантовой теории поля, и, следовательно, вся процедура регуляризации иперенормировки перестает быть математическим трюком и обретает физический смысл. Действительно, в квантовой теории поля бесконечные значения амплитуд взаимодействия возникают в результате того, что две частицы могут сколь угодно близко подойти друг к другу. В теории струн это уже невозможно: слишком близко расположенные струны сливаются в струну .
В середине 1980-х было установлено, что суперсимметрия, являющаяся центральным звеном теории струн[42], может быть включена в нее не одним, а пятью различными способами, что приводит к пяти различным теориям: типа I, типов IIA и IIB, и две гетеротические струнные теории. Можно предположить, что только одна из них могла претендовать на роль «теории всего», причем та, которая при низких энергиях и компактифицированных шести дополнительных измерениях согласовывалась бы с реальными наблюдениями. Оставались открытыми вопросы о том, какая именно теория более адекватна и что делать с остальными четырьмя теориями[19]С. 126.
В ходе второй суперструнной революции было показано, что такое представление неверно: все пять суперструнных теорий тесно связаны друг с другом, являясь различными предельными случаями единой 11-мерной фундаментальной теории (М-теория)[19][43].
Все пять суперструнных теорий связаны друг с другом преобразованиями, называемыми дуальностями[44]. Если две теории связаны между собой преобразованием дуальности (дуальным преобразованием), это означает, что каждое явление и качество из одной теории в каком-нибудь предельном случае имеет свой аналог в другой теории, а также имеется некий своеобразный «словарь» перевода из одной теории в другую[45].
То есть дуальности связывают и величины, которые считались различными или даже взаимоисключающими. Большие и малые масштабы, сильные и слабые константы связи — эти величины всегда считались совершенно четкими пределами поведения физических систем как в классической теории поля, так и в квантовой. Струны, тем не менее, могут устранять различия между большим и малым, сильным и слабым.
Т-дуальность связана с симметрией в теории струн, применимой к струнным теориям типа IIA и IIB и двум гетеротическим струнным теориям. Преобразования Т-дуальности действуют в пространствах, в которых по крайней мере одна область имеет топологию окружности. При таком преобразовании радиус R этой области меняется на 1/R, и «намотанные»[46] состояния струн меняются на высокоимпульсные струнные состояния в дуальной теории. Таким образом, меняя импульсные моды и винтовые моды струны, можно переключаться между крупным и мелким масштабом[47].
Другими словами связь теории типа IIA с теорией типа IIB означает, что их можно компактифицировать на окружность, а затем, поменяв винтовые и импульсные моды, а значит, и масштабы, можно увидеть, что теории поменялись местами. То же самое верно и для двух гетеротических теорий[48].
S-дуальность (сильно-слабая дуальность) − эквивалентность двух квантовых теорий поля, теории струн и M-теории. Преобразование S-дуальности заменяет физические состояния и вакуум с константой связи[49] g одной теории на физические состояния и вакуум с константой связи 1 / g другой, дуальной первой теории. Благодаря этому оказывается возможным использовать теорию возмущений, которая справедлива для теорий с константой связи g много меньшей 1, по отношению к дуальным теориям с константой связи g много большей 1[48]. Суперструнные теории связаны S-дуальностью следующим образом: суперструнная теория типа I S-дуальна гетеротической SO(32) теории, а теория типа IIB S-дуальна самой себе.
Существует также симметрия, связывающая преобразования S-дуальности и T-дуальности. Она называется U-дуальностью и наиболее часто встречается в контексте так называемых U-дуальных групп симметрии в М-теории, определенных на конкретных топологических пространствах. U-дуальность представляет собой объединение в этих пространствах S-дуальности и T-дуальности, которые, как можно показать на D-бране, не коммутируют друг с другом[50].
Интригующим предсказанием теории струн является многомерность Вселенной. Ни теория Максвелла, ни теории Эйнштейна не дают такого предсказания, поскольку предполагают число измерений заданным (в теории относительности их четыре). Первым, кто добавил пятое измерение к эйнштейновским четырем, оказался немецкий математик Теодор Калуца (1919 год)[51]. Обоснование ненаблюдаемости пятого измерения (его компактности) было предложено шведским физиком Оскаром Клейном в1926 году[52].
Требование согласованности теории струн с релятивистской инвариантностью (лоренц-инвариантностью) налагает жесткие требования на размерность пространства-времени, в котором она формулируется. Теория бозонных струн может быть построена только в 26-мерном пространстве-времени, а суперструнные теории — в 10-мерном[17].
Поскольку мы, согласно специальной теории относительности, существуем в четырехмерном пространстве-времени[53][54], необходимо объяснить, почему остальные дополнительные измерения оказываются ненаблюдаемыми. В распоряжении теории струн имеется два таких механизма.
Первый из них заключается в компактификации дополнительных 6 или 7 измерений, то есть замыкание их на себя на таких малых расстояниях, что они не могут быть обнаружены в экспериментах. Шестимерное разложение моделей достигается с помощьюпространств Калаби — Яу.
Классическая аналогия, используемая при рассмотрении многомерного пространства, — садовый шланг[55]. Если наблюдать шланг с достаточно далекого расстояния, будет казаться, что он имеет только одно измерение — длину. Но если приблизиться к нему, обнаруживается его второе измерение — окружность. Истинное движение муравья, ползающего по поверхности шланга, двумерно, однако издалека оно нам будет казаться одномерным. Дополнительное измерение доступно наблюдению только с относительно близкого расстояния, поэтому и дополнительные измерения пространства Калаби — Яу доступны наблюдению только с чрезвычайно близкого расстояния, то есть практически не обнаруживаемы.
Пример компактификации : на больших расстояниях двумерная поверхность с одним круговым размером выглядит одномерным.
Другой вариант — локализация — состоит в том, что дополнительные измерения не столь малы, однако в силу ряда причин все частицы нашего мира локализованы на четырехмерном листе в многомерной вселенной (мультивселенной) и не могут его покинуть. Этот четырехмерный лист (брана) и есть наблюдаемая часть мультивселенной. Поскольку мы, как и вся наша техника, состоим из обычных частиц, то мы в принципе неспособны взглянуть вовне.
Единственная возможность обнаружить присутствие дополнительных измерений — гравитация. Гравитация, будучи результатом искривления пространства-времени, не локализована на бране, и потому гравитоны и микроскопические черные дыры могут выходить вовне. В наблюдаемом мире такой процесс будет выглядеть как внезапное исчезновение энергии и импульса, уносимых этими объектами.
Теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не дает однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить вкритическом эксперименте. Таким образом, теория струн находится пока в «зачаточной стадии»: она обладает множеством привлекательных математических особенностей и может стать чрезвычайно важной в понимании устройства Вселенной, но требуется дальнейшая разработка для того, чтобы принять ее или отвергнуть. Поскольку теорию струн, скорее всего, нельзя будет проверить в обозримом будущем в силу технологических ограничений, некоторые ученые сомневаются, заслуживает ли данная теория статуса научной, поскольку, по их мнению, она не является фальсифицируемой в попперовском смысле[12][56].
Разумеется, это само по себе не является основанием считать теорию струн неверной. Часто новые теоретические конструкции проходят стадию неопределенности, прежде чем, на основании сопоставления с результатами экспериментов, признаются или отвергаются (см., например, уравнения Максвелла[57]). Поэтому и в случае теории струн требуется либо развитие самой теории, то есть методов расчета и получения выводов, либо развитие экспериментальной науки для исследования ранее недоступных величин.
В 2003 году выяснилось[58], что существует множество способов свести 10-мерные суперструнные теории к 4-мерной эффективной теории поля. Сама теория струн не давала критерия, с помощью которого можно было бы определить, какой из возможных путей редукции предпочтителен. Каждый из вариантов редукции 10-мерной теории порождает свой 4-мерный мир, который может напоминать, а может и отличаться от наблюдаемого мира. Всю совокупность возможных реализаций низкоэнергетического мира из исходной суперструнной теории называют ландшафтом теории.
Оказывается, количество таких вариантов поистине огромно. Считается, что их число составляет как минимум 10100, вероятнее — около 10500; не исключено, что их вообще бесконечное число[59].
В течение 2005 года неоднократно высказывались предположения[60], что прогресс в этом направлении может быть связан с включением в эту картину антропного принципа[61]: человек существует именно в такой Вселенной, в которой его существование возможно.
С математической точки зрения еще одна проблема состоит в том, что, как и квантовая теория поля, большая часть теории струн все еще формулируется пертурбативно (в терминах теории возмущений)[62]. Несмотря на то, что непертурбативные методы достигли за последнее время значительного прогресса, полной непертурбативной формулировки теории до сих пор нет.
В результате экспериментов по обнаружению «зернистости» (степени квантования) пространства, которые состояли в измерении степени поляризации гамма-излучения, приходящего от далеких мощных источников, выяснилось, что в излучении гамма-всплеска GRB041219A, источник которого находится на расстоянии 300 млн световых лет, зернистость пространства не проявляется вплоть до размеров 10−48 м, что в 1014 раз меньше планковской длины[63]. Данный результат, по всей видимости, заставит пересмотреть внешние параметры струнных теорий[64][65][66].
В 1996 г. струнные теоретики Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа, опираясь на более ранние результаты Сасскинда и Сена, опубликовали работу «Микроскопическая природа энтропии Бекенштейна и Хокинга». В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определенного класса черных дыр[67], а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию. Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений, которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого.
Реальным процессам образования черных дыр Строминджер и Вафа противопоставили конструктивный подход . Суть в том, что они изменили точку зрения на образование черных дыр, показав, что их можно конструировать путем кропотливой сборки в один механизм точного набора бран, открытых во время второй суперструнной революции.
Строминджер и Вафа смогли вычислить число перестановок микроскопических компонентов черной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, напримермасса и заряд, остаются неизменными. Тогда энтропия этого состояния по определению равна логарифму полученного числа — числа возможных микросостоянийтермодинамической системы. Затем они сравнили результат с площадью горизонта событий черной дыры — эта площадь пропорциональна энтропии черной дыры, как предсказано Бекенштейном и Хокингом на основе классического понимания , — и получили идеальное согласие[68]. По крайней мере, для класса экстремальных черных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии.
Это открытие оказалось важным и убедительным аргументом в поддержку теории струн. Разработка теории струн до сих пор остается слишком грубой для прямого и точного сравнения с экспериментальными результатами, например, с результатами измерений масс кварков или электрона. Теория струн, тем не менее, дает первое фундаментальное обоснование давно открытого свойства черных дыр, невозможность объяснения которого многие годы тормозила исследования физиков, работавших с традиционными теориями. Даже Шелдон Глэшоу, Нобелевский лауреат по физике и убежденный противник теории струн в 1980-е гг., признался в интервью в 1997 г., что «когда струнные теоретики говорят о черных дырах, речь идет едва ли не о наблюдаемых явлениях, и это впечатляет»[19].
Струнная космология − относительно новая и интенсивно развивающаяся область теоретической физики, в рамках которой осуществляются попытки использования уравнений теории струн для решения некоторых проблем, возникших в ранней космологической теории. Данный подход впервые использован в работах Габриэле Венециано[69], который показал, каким образом инфляционная модель Вселенной может быть получена из теории суперструн. Инфляционная космология предполагает существование некоторого скалярного поля, индуцирующего инфляционное расширение. В струнной космологии вместо этого вводится так называемое дилатонноеполе[70][71], кванты которого, в отличие, например, от электромагнитного поля, не являются безмассовыми, поэтому влияние данного поля существенно лишь на расстояниях порядка размера элементарных частиц или на ранней стадии развития Вселенной[72].
Существует три основных пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель. Во-первых, в духе современных исследований, все более проясняющих ситуацию, из теории струн следует, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер. Этот вывод меняет представление о структуре Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва, для которого в стандартной модели получается нулевой размер Вселенной. Во-вторых, понятие T-дуальности, то есть дуальности малых и больших радиусов (в его тесной связи с существованием минимального размера) в теории струн, имеет значение и в космологии[73]. В-третьих, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырех, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений. Вообще, особенность теории струн состоит в том, что в ней, по-видимому, геометрия пространства-времени не фундаментальна, а появляется в теории на больших масштабах или при слабой связи[74].
Несмотря на то, что арена основных действий в теории струн недоступна прямому экспериментальному изучению[75][76], ряд косвенных предсказаний теории струн все же можно проверить в эксперименте[77][78][79][80].
Во-первых, обязательным является наличие суперсимметрии. Ожидается, что запущенный 10 сентября 2008 года, но полноценно[81] вступивший в строй в 2010 годуБольшой адронный коллайдер сможет открыть некоторые суперсимметричные частицы.[13] Это будет серьезной поддержкой теории струн[19].
Во-вторых, в моделях с локализацией наблюдаемой вселенной в мультивселенной изменяется закон гравитации тел на малых расстояниях. В настоящее время проводится ряд экспериментов, проверяющих с высокой точностью закон всемирного тяготения на расстояниях в сотые доли миллиметра[82]. Обнаружение отклонения от этого закона было бы ключевым аргументом в пользу суперсимметричных теорий.
В-третьих, в тех же самых моделях гравитация может становиться очень сильной уже на энергетических масштабах порядка нескольких ТэВ, что делает возможной ее проверку на Большом адронном коллайдере. В настоящее время идет активное исследование процессов рождения гравитонов и микроскопических черных дыр в таких вариантах теории.
Наконец, некоторые варианты теории струн приводят также и к наблюдательным астрофизическим предсказаниям. Суперструны (космические струны), D-струны или другие струнные объекты, растянутые до межгалактических размеров, обладают сильным гравитационным полем и могут выступать в роли гравитационных линз.
Кроме того, движущиеся струны должны создавать гравитационные волны, которые, в принципе, могут быть обнаружены в экспериментах типа LIGO и VIRGO.
Они также могут создавать небольшие нерегулярности в реликтовом излучении, которые могут быть обнаружены в будущих экспериментах.
Чтобы построить модели физики элементарных частиц на основе теории струн, физики обычно начинают с определения формы дополнительных измерений пространства-времени. Каждая из этих различных форм соответствует разной возможной вселенной или «состоянию вакуума» с разным набором частиц и сил. Теория струн, как она понимается в настоящее время, имеет огромное количество вакуумных состояний, обычно оцениваемых примерно в 10 500 , и они могут быть достаточно разнообразными, чтобы учесть практически любое явление, которое может наблюдаться при низких энергиях. [118]
Многие критики теории струн выразили озабоченность по поводу большого числа возможных вселенных, описываемых теорией струн. В своей книге Не Даже Wrong , Питер Войт , преподаватель на кафедре математики в Колумбийском университете , утверждает , что большое количество различных физических сценариев делает теория струн бессодержательным в качестве основы для построения модели физики элементарных частиц. По словам Войта,
Возможное существование, скажем, 10 500 различных состояний вакуума для теории суперструн, вероятно, разрушает надежду на использование этой теории для предсказания чего-либо. Если выбрать среди этого большого набора только те состояния, свойства которых согласуются с текущими экспериментальными наблюдениями, вполне вероятно, что их все еще будет так много, что можно будет получить практически любое значение для результатов любого нового наблюдения. [119]
Некоторые физики считают, что такое большое количество решений на самом деле является достоинством, потому что оно может позволить естественное антропное объяснение наблюдаемых значений физических констант , в частности, небольшого значения космологической постоянной. [119] антропный принцип является идея , что некоторые из чисел , входящих в законы физики не фиксированы любым фундаментальным принципом , но должны быть совместимы с развитием разумной жизни. В 1987 году Стивен Вайнберг опубликовал статью, в которой утверждал, что космологическая постоянная не могла быть слишком большой, иначе галактики и разумная жизнь не смогли бы развиваться. [120]Вайнберг предположил, что может существовать огромное количество возможных согласованных вселенных, каждая с различным значением космологической постоянной, и наблюдения указывают на небольшое значение космологической постоянной только потому, что люди живут во вселенной, которая допускает разумную жизнь, и следовательно, наблюдатели существуют. [121]
Теоретик струн Леонард Сасскинд утверждал, что теория струн обеспечивает естественное антропное объяснение небольшого значения космологической постоянной. [122] Согласно Сасскинду, различные вакуумные состояния теории струн могут быть реализованы как разные вселенные внутри более крупной мультивселенной . Тот факт, что наблюдаемая Вселенная имеет небольшую космологическую постоянную, является лишь тавтологическим следствием того факта, что для существования жизни требуется небольшое значение. [123] Многие известные теоретики и критики не согласились с выводами Сасскинда. [124]По словам Войта, «в этом случае [антропные рассуждения] являются не более чем оправданием неудач. Спекулятивные научные идеи терпят неудачу не только тогда, когда они делают неверные прогнозы, но и когда они оказываются бессмысленными и неспособными что-либо предсказать». [125]
Известно, что в теории струн нет вакуума, поддерживающего метастабильную положительную космологическую постоянную , за исключением, возможно, одной неподтвержденной модели, описанной Качру и др . в 2003 году. [126] В 2018 году группа из четырех физиков выдвинула спорную гипотезу, которая подразумевала бы, что такой вселенной не существует . Это противоречит некоторым популярным моделям темной энергии, таким как Λ-CDM , для которых требуется положительная энергия вакуума. Однако теория струн, вероятно, совместима с определенными типами квинтэссенции , когда темная энергия вызывается новым полем с экзотическими свойствами. [127]
Одно из фундаментальных свойств общей теории относительности Эйнштейна состоит в том, что она не зависит от фона , что означает, что формулировка теории никоим образом не отдает предпочтение конкретной геометрии пространства-времени. [128]
Одна из основных критических замечаний в отношении теории струн с самого начала заключается в том, что она не является явно независимой от фона. В теории струн обычно необходимо указать фиксированную опорную геометрию для пространства-времени, а все другие возможные геометрии описываются как возмущения этой фиксированной геометрии. В своей книге «Проблемы с физикой» физик Ли Смолин из Института теоретической физики « Периметр» утверждает, что это основная слабость теории струн как теории квантовой гравитации, говоря, что теория струн не смогла учесть это важное открытие из общей теории относительности. [129]
Другие не согласны с характеристикой теории струн Смолина. В рецензии на книгу Смолина теоретик струн Иосиф Полчинский пишет:
[Смолин] ошибочно принимает один из аспектов используемого математического языка за один из описываемых аспектов физики. Новые физические теории часто открываются с использованием не самого подходящего для них математического языка ... В теории струн всегда было ясно, что физика не зависит от фона, даже если используемый язык не является таким, и поиск более подходящего языка продолжается. Действительно, как с запозданием отмечает Смолин, [AdS / CFT] предлагает решение этой проблемы, причем неожиданное и действенное. [130]
Полчински отмечает, что важной открытой проблемой квантовой гравитации является разработка голографических описаний гравитации, которые не требуют, чтобы гравитационное поле было асимптотически анти-де Ситтер. [130] Смолин ответил, сказав, что соответствие AdS / CFT, в его нынешнем понимании, может быть недостаточно сильным, чтобы разрешить все опасения по поводу фоновой независимости. [131]
После суперструнных революций 1980-х и 1990-х годов теория струн стала доминирующей парадигмой теоретической физики высоких энергий. [132] Некоторые теоретики струн выразили мнение, что не существует столь же успешной альтернативной теории, решающей глубокие вопросы фундаментальной физики. В интервью 1987 года нобелевский лауреат Дэвид Гросс сделал следующие неоднозначные комментарии о причинах популярности теории струн:
Самая главная [причина] в том, что других хороших идей нет. Это то, что привлекает к этому большинство людей. Когда люди начали интересоваться теорией струн, они ничего о ней не знали. Фактически, первая реакция большинства людей состоит в том, что теория чрезвычайно уродлива и неприятна, по крайней мере, так было несколько лет назад, когда понимание теории струн было гораздо менее развито. Людям было трудно узнать об этом и возбудиться. Так что я думаю, что настоящая причина, по которой людей это привлекает, заключается в том, что в городе нет другой игры. Все другие подходы к построению теорий великого объединения, которые изначально были более консервативными и только постепенно становились все более и более радикальными, потерпели неудачу, и эта игра еще не провалилась. [133]
Несколько других известных теоретиков и комментаторов высказали аналогичные взгляды, предполагая, что нет реальных альтернатив теории струн. [134]
Многие критики теории струн прокомментировали такое положение вещей. В своей книге, критикующей теорию струн, Питер Войт рассматривает статус исследования теории струн как нездоровый и вредный для будущего фундаментальной физики. Он утверждает, что чрезвычайная популярность теории струн среди физиков-теоретиков частично является следствием финансовой структуры академических кругов и жесткой конкуренции за ограниченные ресурсы. [135] В своей книге «Дорога к реальности» физик-математик Роджер Пенроуз выражает аналогичные взгляды, заявляя: «Часто безумная конкуренция, которую порождает такая простота общения, приводит к побочным эффектам , когда исследователи опасаются остаться позади, если они не присоединятся. " [136]Пенроуз также утверждает, что техническая сложность современной физики заставляет молодых ученых полагаться на предпочтения авторитетных исследователей, а не прокладывать собственные пути. [137] Ли Смолин выражает несколько иную позицию в своей критике, утверждая, что теория струн выросла из традиции физики элементарных частиц, которая препятствует спекуляциям об основах физики, в то время как его предпочтительный подход, петлевая квантовая гравитация , поощряет более радикальное мышление. По словам Смолина,
Теория струн - это мощная, хорошо мотивированная идея, заслуживающая большей части работы, посвященной ей. Если до сих пор она терпела неудачу, основная причина заключается в том, что ее внутренние недостатки тесно связаны с ее сильными сторонами - и, конечно, история еще не закончена, поскольку теория струн вполне может оказаться частью истины. Настоящий вопрос заключается не в том, почему мы потратили столько энергии на теорию струн, а в том, почему мы не израсходовали достаточно энергии на альтернативные подходы. [138]
Смолин предлагает ряд рецептов того, как ученые могут поощрять большее разнообразие подходов к исследованиям квантовой гравитации. [
К сожалению, в одной статье не просто дать все знания про теория струн. Но я - старался. Если ты проявишь интерес к раскрытию подробностей,я обязательно напишу продолжение! Надеюсь, что теперь ты понял что такое теория струн, компактификация и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Теория струн и суперструн
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Базовая физика
Термины: Базовая физика