118
Струнная теория для начинающих — это сначала увлекательная, но очень абстрактная концепция, согласно которой фундаментальные строительные блоки Вселенной — это не точечные частицы, а крошечные колеблющиеся нити (струны) длиной в планковскую единицу.
Струнная теория для начинающих: происхождение и основная идея
Струнная теория возникла в конце 1960-х и начале 1970-х годов, сначала как попытка описать множество элементарных частиц и сил в природе единым образом, особенно в области сильного взаимодействия.
- Ученые заметили, что многие явления можно объяснить с помощью моделей, если рассматривать частицы не как точки, а как маленькие одномерные «струны».
- Бозонная теория струн была одной из первых вариантов и описывает только бозоны, то есть частицы с целым спином, однако она сталкивается с проблемами, например, существованием тахионных состояний (частиц с мнимой массой) и тем, что фермионы (частицы с полуцелым спином) не учитываются.
- Позже теория была доработана до теории суперструн, которая включает как бозоны, так и фермионы и применяет принцип суперсимметрии, то есть для каждого бозона существует фермионный партнер. Это развитие было важным для преодоления слабостей бозонной теории.
Как работает теория: Колебания, измерения и компактификация
Основная идея заключается в следующем: вся материя и все взаимодействия состоят из крошечных колеблющихся струн.
- Различные виды колебаний этих струн создают различные частицы с разными свойствами, такими как масса, заряд или спин — подобно струне музыкального инструмента, где разные колебания создают разные звуки. Струна может быть открытой (с конечными точками) или замкнутой (в форме кольца), и в зависимости от того, как она колеблется, проявляется определенное свойство частицы.
- Чтобы эта теория работала математически последовательно, ей требуется больше, чем четыре известных нам измерения (три пространственных и одно временное). В бозонной теории струн это 26 измерений, в суперструнной теории — 10 измерений. Дополнительные измерения постулируются таким образом, что они «сворачиваются» или компактифицируются в микроскопическом масштабе, то есть мы не воспринимаем их в повседневной жизни, потому что они очень малы или скрыты в особых топологических структурах.
- Распространенной моделью для этого являются так называемые многообразия Калаби-Яу, особые формы пространства, которые могут вместить шесть дополнительных измерений пространства суперструнной теории, не нарушая известных физических законов.
Амбиции и текущая ситуация
Главная цель теории струн — объединить квантовую теорию (описывающую поведение частиц в микрокосмосе) и общую теорию относительности (рассматривающую гравитацию и поведение пространства и времени в макрокосмосе) в единую систему.
- До сих пор эти две теории не являются полностью совместимыми, особенно если рассматривать очень малые расстояния (шкала Планка) или очень сильную гравитацию (например, черные дыры). Струнная теория может быть «мировой формулой», в которой обе теории объединены.
- Существуют различные варианты суперструнной теории, например, тип I, тип IIA, тип IIB, гетеротические теории (E₈×E₈ и SO(32)), которые различаются по типу струн (открытые/закрытые), количеству суперсимметрий и свойствам.
- В настоящее время еще нет экспериментальных доказательств, которые однозначно подтверждали бы теорию струн. Суперсимметричные партнерские частицы пока не найдены, а дополнительные измерения не поддаются измерению.
- Многие математические структуры, компактификации и выбор многообразия Калаби-Яу являются предметом интенсивных исследований, их влияние на наблюдаемые физические явления пока остается гипотетическим.
previous post