Makstag

Теория струн

25 сообщений в этой теме

Рекомендованные сообщения

Makstag

Теория струн — направление теоретической физики, изучающее динамику взаимодействия не точечных частиц, а одномерных протяжённых объектов, так называемых квантовых струн. Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации.

Теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской 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 строения адронов. 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. Большое число возможных решений с конца 1970-х и начала 1980-х годов создало проблему, известную под названием «проблема ландшафта», в связи с чем некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли теория струн статуса научной.

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.

Среди многих свойств теории струн особенно важны три нижеследующих. Во-первых, гравитация и квантовая механика являются неотъемлемыми принципами устройства Вселенной, и поэтому любой проект единой теории обязан включать и то, и другое. В теории струн это реализуется. Во-вторых, исследования на протяжении XX века показали, что существуют и другие ключевые идеи, — многие из которых были проверены экспериментально, — являющиеся центральными для нашего понимания Вселенной. В числе этих идей — спин, существование поколений частиц материи и частиц-переносчиков взаимодействия, калибровочная симметрия, принцип эквивалентности, нарушение симметрии и суперсимметрия. Все эти идеи естественным образом вытекают из теории струн. В-третьих, в отличие от более общепринятых теорий, таких, как стандартная модель с её 19 свободными параметрами, которые могут подгоняться для обеспечения согласия с экспериментом, в теории струн свободных параметров нет.

Несмотря на то, что понимание деталей суперструнных теорий требует серьёзной 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 её размером. Рассмотрим замкнутую струну, к которой не приложены никакие силы. Упругость струны будет стремиться стянуть её в более мелкую петлю. Классическая интуиция подсказывает, что она может сократиться до точки, но это нарушило бы один из фундаментальных принципов квантовой механики — принцип неопределённости Гейзенберга. Характерный размер струнной петли получится в результате балансирования между силой упругости, сокращающей струну, и эффектом неопределённости, растягивающим струну.

Благодаря протяжённости струны решается проблема ультрафиолетовой расходимости в квантовой теории поля, и, следовательно, вся процедура регуляризации и перенормировки перестаёт 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 одну струну.

Проблемы

Возможность критического эксперимента

Теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не даёт однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в критическом 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 её 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.

Разумеется, это само по себе не является основанием считать теорию суперструн неверной. Многие новые теоретические конструкции проходят стадию неопределённости, прежде чем, на основании сопоставления с результатами экспериментов, признаются или отвергаются. Поэтому и в случае теории суперструн требуется либо развитие самой теории, то есть методов расчёта и получения выводов, либо развитие экспериментальной науки для исследования ранее недоступных величин.

Фальсифицируемость и проблема ландшафта

В 2003 году выяснилось, 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; не исключено, что их вообще бесконечное число.

В результате получается удручающая картина. Каков бы ни был наш мир, всегда найдется способ свести его к суперструнной теории. Таким образом, суперструнная теория не только не противоречит современным экспериментальным данным, но и не будет противоречить никакому эксперименту в обозримом будущем. Это означает, что теория суперструн близка к тому, чтобы потерять ключевое свойство научной теории — фальсифицируемость.

В течение 2005 года неоднократно высказывались предположения, что прогресс в этом направлении может быть связан с включением в эту картину антропного принципа: мы существуем именно в такой Вселенной, в которой наше существование возможно.

Косвенные предсказания

Несмотря на то, что арена основных действий в теории суперструн недоступна прямому экспериментальному изучению, ряд косвенных предсказаний теории суперструн всё же можно проверить в эксперименте.

Во-первых, обязательным является наличие суперсимметрии. Ожидается, что вступающий в строй в 2007 году Большой адронный коллайдер сможет открыть некоторые суперсимметричные частицы. Это будет серьёзной поддержкой теории суперструн.

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 доли миллиметра. 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 её проверку на Большом адронном коллайдере. В настоящее время идёт активное исследование процессов рождения гравитонов и микроскопических чёрных дыр в таких вариантах теории.

Наконец, некоторые варианты теории струн приводят также и к наблюдательным астрофизическим предсказаниям. Суперструны, 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 (Лазерная интерферометр-гравитационная обсерватория, основанная в 1992 г. Массачусетсским технологическим институтом и Калифорнийским технологическим институтом). Они также могут создавать небольшие нерегулярности в реликтовом излучении, которые в будущем могут быть обнаружены.

Теория струн.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Закреплённое сообщение
спонтанов

...Теория "Супер струн" устарела? ...Выходит, есть, более доказательная? ...Какая? :unsure:

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Detech
...Теория "Супер струн" устарела? ...Выходит, есть, более доказательная? ...Какая? :unsure:

Эм.... любая? Статью топикстартера читали?

Главной проблемой теории "суперструн" является то что доказательная база у нее нулевая. Не потому что она не может объяснить наблюдаемые факты, а потому что она может объяснить абсолютно все, что существует и что нет. Абсолютно любую последовательность событий, даже самую фантастическую и ненаблюдаемую, так или иначе можно нарисовать на теории "суперструн", что делает ее практически абсолютно недоказательной.

Теория должна не только ОБЬЯСНЯТЬ, но и ПРЕДСКАЗЫВАТЬ. То есть для того чтобы быть доказательной теорией - она должна обладать определенными выводами которые можно было бы наблюдать. То есть существует некая теория А, из этой теории следует что при условиях Б должен наблюдаться эффект В который до этого не наблюдали. Ученые создают условия Б, и пытаются наблюдать эффект В. Если эффект наблюдается - значит теория предсказала В и это является самым надежной частью ее доказательства, которая оценивается ощутимо выше чем любые объяснительные механизмы. Соотвественно если теория не способна предсказать - ее доказательная база крайне незначительна. Теория суперструн предсказывает абсолютно все - даже "телепортацию ежиков", чем ломает весь механизм доказывания теории.

Это конечно не значит что она "устарела", но и доказательную базу это ей не создает...

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

спонтанов
... Статью топикстартера читали?

...Черкните адресок. :rolleyes:

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Karmadon
В 19.05.2014 в 14:45, Deceased WhiteBear сказал:

Простота и доходчивость изложения автора переходят все немыслимые пределы.

Уж на что туп лично я, но и то всё понял. Слава Украине! :022:

Хероям сала!

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Karmadon

"Теория струн" это классика метафизического подхода, к понятию "наука" отношения не имеющая ни малейшего. Для удобства математического описания приемлемо, но не более.

К любому набору фактических данных расчеты можно подогнать при помощи фокусов, известных каждому, знакомому с прикладной математикой, но ни одному инженеру не придет в головы назвать полученный таким образом набор формул "научной теорией". Теория струн это именно набор таких фокусов – внешне эффектно, но не более. Прагматику достаточно, однако в плане понимания сути явления это информационный нуль. Методики же, позволяющей из нуля вывести нечто большее, чем нуль, никакая математика предложить не может.

Если в будущем экспериментаторы подкинут опытный факт, не вписывающейся в рамки подобной "теории", без проблем: обозначим пару-тройку очередных измерений соответствующими индексами, придадим им необходимые для искусственной подгонки под ответ свойства и… Мы еще на шаг "ближе к истине"? Независимо от "успехов", концентрируя на этом пути свои усилия, теоретик, по меткому замечанию Р.Фейнмана, "не решает проблему, а заметает мусор под буфет".

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Присоединиться к обсуждению

Вы можете оставить комментарий уже сейчас, а зарегистрироваться позже! Если у вас уже есть аккаунт, войдите, чтобы оставить сообщение через него.

Гость
Ответить в тему...

×   Вы вставили отформатированное содержимое.   Удалить форматирование

  Only 75 emoji are allowed.

×   Ваша ссылка автоматически преображена.   Отображать как простую ссылку

×   Предыдущее содержимое было восстановлено..   Очистить текст в редакторе

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.


  • Сейчас на странице   0 пользователей

    Нет пользователей, просматривающих эту страницу

  • Модераторы онлайн

    • simonov-89
    • alexis
    • Henry Piast
    • Александрович