Единая теория всего (2)

В прошлой лекции я рассказывал о том, откуда взялась теория струн, а теперь попробую рассказать, почему этих теорий так много: теории струн, суперструн, М-теории.

О каждой из теорий поподробнее:

Теория струн:

Как мы с вами уже знаем теория струн — это чисто математическая теория, которая гласит, что все в нашем мире (и не в нашем:) тоже) является следствием «колебаний» микроскопических объектов порядка планковской длины.

По свойствам струна напоминает струну скрипки. Каждая струна может совершать огромное (на самом деле бесконечное) число различных колебаний, известных под названием резонансных колебаний. Это колебания, у которых расстояние между максимумами и минимумами одинаково, и между закреплёнными концами струны укладывается в точности целое число максимумов и минимумов. Например, человеческое ухо воспринимает резонансные колебания как различные музыкальные ноты. Схожие свойства имеют струны в теории струн. Они могут осуществлять резонансные колебания, в которых вдоль длины струн укладывается в точности целое число равномерно распределённых максимумов и минимумов. Точно так же, как различные моды (набор характерных для колебательной системы типов гармонических колебаний) резонансных колебаний скрипичных струн рождают различные музыкальные ноты, различные моды колебаний фундаментальных струн порождают различные массы и константы взаимодействия.

Согласно специальной теории относительности энергия и масса (Е равно эм це квадрат:)) представляют собой две стороны одной медали: чем больше энергия, тем больше масса и наоборот. А в соответствии с теорией струн, масса элементарной частицы определяется энергией колебания внутренней струны этой частицы. Внутренние струны более тяжёлых частиц совершают более интенсивные колебания, струны лёгких частиц колеблются менее интенсивно.

Что особенно важно, характеристики одной из мод колебаний струн в точности совпадают с характеристиками гравитона, гарантируя, что гравитация является неотъемлемой частью теории струн.

Я не хочу пока вдаваться в подробности про «геометрию» струн, думаю, отвести под это видео. Так будет проще и нагляднее.

Скажу только что безмассовые частицы, которые могут быть фотонами, происходят из колебаний или открытых, или замкнутых струн. Гравитоны происходят только из колебаний замкнутых струн, или петель. Струны взаимодействуют между собой, образуя петли. Из этих петель возникают более крупные частицы (кварки, электроны). Масса этих частиц зависит от энергии, выделяемой петлей, когда та вибрирует.

В теории струн могут быть только две фундаментальные константы (в других теориях констант намного больше, даже самых фундаметальных. Например, Стандартная модель требует 26 констант). Одна, называемая натяжением струны, описывает, сколько энергии содержится на единицу длины струны. Другая, называемая струнной константой связи, есть число, означающее вероятность распада струны на две струны, соответственно вызывая силы; поскольку это вероятность, это просто число, без размерных единиц.

Теория суперструн: 

Все, что нужно знать и понимать из этой фразы то, что эта теория является обобщенной теорией струн. В этой теории всё рассматривается с точки зрения суперсимметрии — … НО!

Перед тем, как перейти к обсуждению суперсимметрии, вспомним понятие спина. Спин — это собственный момент импульса, присущий каждой частице. Он измеряется в единицах постоянной Планка и бывает целым или полуцелым. Спин является исключительно квантовомеханическим свойством, его нельзя представить с классической точки зрения. Наивная попытка трактовать элементарные частицы как маленькие «шарики», а спин — как их вращение, противоречит специальной теории относительности, так как точки на поверхности шариков должны в таком случае двигаться быстрее света. Электроны обладают спином 1/2, фотоны — спином 1.

Суперсимметрия — это симметрия между частицами с целым и полуцелым спином.

Вкратце она заключается в построении теорий, уравнения которых не изменялись бы при преобразовании полей с целым спином в поля с полуцелым спином и наоборот. С тех пор были написаны тысячи статей, суперсимметризации были подвергнуты все модели квантовой теории поля, был разработан новый математический аппарат, позволяющий строить суперсимметричные теории.

Известные в природе частицы в соответствии с их спином подразделяются на бозоны (целый спин) и фермионы (полуцелый спин). Первые частицы являются переносчиками взаимодействий, например, фотон, который переносит электромагнитные взаимодействия, глюон, который переносит сильное ядерное взаимодействие, и гравитон, который переносит гравитационные силы. Из вторых же состоит материя, из которой мы сделаны, такая как электрон или кварк.

Фермионы (частицы, которые подчиняются статистике Ферми-Дирака) и бозоны (частицы, которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна) могут сосуществовать в одной и той же физической системе. Такая система будет обладать особым видом симметрии — так называемой суперсимметрией, отображающей бозоны в фермионы и наоборот. Для этого, конечно, требуется равное количество бозонов и фермионов, но условия существования суперсимметрии этим не ограничиваются. Суперсимметричные системы живут в суперпространстве. Суперпространство получается из обычного пространства-времени, когда к нему добавляются фермионные координаты. В суперпространственной формулировке преобразования суперсимметрии выглядят похожими на вращения и сдвиги в обычном пространстве. А живущие в нем частицы и поля представляются набором частиц или полей в обычном пространстве, причем таким набором, в котором строго фиксировано количественное соотношение бозонов и фермионов, равно как и некоторые их характеристики (в первую очередь спины). Входящие в такой набор частицы-поля называются суперпартнерами.

Итак, обычная теория струн описала лишь частицы, являвшиеся бозонами, потому она получила название «бозонная теория струн». Но она не описывала фермионы. Поэтому кварки и электроны, например, не были включены в бозонную беорию струн.

Но добавив к бозонной теории струн суперсимметрию, получили новую теорию, которая описывает как силы, так и материю, составляющую Вселенную. Она получила название «теория суперструн».

Существует три различные имеющие смысл теории суперструн, т.е. не имеющие математических несообразностей. В двух из них фундаментальным объектом является замкнутая струна, тогда как в третьей, строительным блоком является незамкнутая струна. Более того, смешав лучшие стороны бозонной теории струн и теории суперструн, получили последовательные теории струн — гетеротические теории струн.

Таким образом, суперструна — это суперсимметричная струна, то есть по-прежнему струна, но живущая не в обычном нашем пространстве, а в суперпространстве.

М-ТЕОРИЯ

В середине 1980-х теоретики пришли к выводу, что суперсимметрия, являющаяся центральным звеном теории струн, может быть включена в неё не одним, а пятью различными способами, что приводит к пяти различным теориям: типа I, типов IIA и IIB, и две гетеротические струнные теории. Из соображений здравого смысла (не может действовать одновременно 2 варианта одного и того же физического закона) считалось, что только одна из них могла претендовать на роль «теории всего», причём та, которая при низких энергиях и компактифицированных (т.е. свернутых до размеров планковских длин. Получается, что мы как раз и наблюдаем нашу 4-х мерную Вселенную без этих 6-ти измерений, которые мы просто-напросто не видим) 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.

Суть:

Если при этом размер компактного измерения окажется порядка размера струн ($10^{-33} см$), то мы из-за малости этого измерения попросту не сможем никак его напрямую увидеть. В конечном итоге мы получим наше (3+1)-мерное пространство, в котором каждой точке нашей 4-мерной Вселенной отвечает крохотное 6-мерное пространство.

В ходе исследований было показано, что такое наивное представление неверно. В середине 1990-х Эдвард Виттен и другие физики-теоретики обнаружили веские доказательства того, что все пять суперструнных теорий тесно связаны друг с другом, являясь различными предельными случаями единой 11-мерной фундаментальной теории. Эта теория получила название М-Теории.

Когда Виттен дал название М-теории, он не уточнял, что обозначает М, предположительно, потому, что не чувствовал за собой права давать название теории, которую он не мог полностью описать. Предположения о том, что может обозначать М, стало игрой среди физиков-теоретиков. Одни говорят, что М означает «Мистическая», «Магическая» или «Материнская». Более серьёзные предположения — «Матричная» и «Мембранная». Кто-то заметил, что М может быть перевёрнутой W — первая буква имени Witten (Виттен). Другие предполагают, что М в М-теории должно означать «Недостающая» (англ. Missing) или даже «Мутная» (англ. Murky).

Развитие 11-мерной М-теории позволило физикам заглянуть за пределы времени, перед которым произошёл Большой взрыв. 

 

 

Была создана теория, согласно которой наша Вселенная является следствием столкновения объектов в другой Вселенной, которых, в свою очередь, может быть бесчисленное множество. Таким образом, раскрытие одного вопроса привело к появлению еще большего количества вопросов.

М-Теория была взята учёными, как теория всего. То есть эта теория подходит для объяснения всего: как зародилась Вселенная, что было до рождения нашей Вселенной, отвечает на вопрос существования времени до зарождения Вселенной (время существовало ещё до рождения Вселенной), раскрывает будущее Вселенной.

Подготовлено специально для «Астрономия»

 

Stay tuned.



Читайте также:


Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Instagram