Теория струн

Справочная информация

Введение в теорию строк, предназначенное для широкой публики, должно сначала объяснить физику. Некоторые противоречия по поводу теории струн возникают из-за непонимания физики. Распространенным заблуждением даже для ученых является предположение, что теория доказывает свою истинность в объяснении мира природы, где бы ни были успешны ее предсказания. Другое недопонимание заключается в том, что более ранние физики, в том числе химики, уже объясняли мир. Это приводит к непониманию того, что теоретики струнных теорий начали выдвигать странные гипотезы после того, как они стали безответственно "освобождаться от истины".

Классическая сфера

ньютоновская физика

Закон Ньютона об универсальной гравитации (UG), добавленный к трем Галилейским законам движения и некоторым другим презумпциям, был опубликован в 1687 году. Теория Ньютона успешно смоделировала взаимодействия между объектами размером, который мы можем видеть, ряд явлений, которые сейчас называются классическим царством. Закон Кулона смоделировал электрическое притяжение. Теория электромагнитного поля Максвелла объединила электричество и магнетизм, в то время как оптика появилась из этого поля.

Скоростьсвета оставалась примерно такой же, когда измерялась наблюдателем, движущимся в своем поле, хотя добавление скоростей предсказывало, что поле будет медленнее или быстрее по отношению к наблюдателю, движущемуся с ним или против него. Таким образом, по сравнению с электромагнитным полем наблюдатель продолжал терять скорость. Тем не менее, это не нарушило принцип относительности Галилея, который гласит, что законы механики работают одинаково для всех объектов, проявляющих инерцию.

По закону инерции, когда к объекту не прилагается сила, объект удерживает свою скорость, которой является скорость и направление. Объект либо находится в равномерном движении, которое является постоянной скоростью в неизменном направлении, либо находится в состоянии покоя, которое является нулевой скоростью, испытывает инерцию. Это проявляется в галилейской инвариантности - в механических взаимодействиях, протекающих без вариаций - также называемой галилейской относительностью, так как нельзя понять, находится ли объект в состоянии покоя или в равномерном движении.

теория относительности

Особая относительность

В 1905 году специальная теория относительности Эйнштейна объяснила точность как электромагнитного поля Максвелла, так и галилейской относительности, заявив, что скорость поля абсолютна - универсальная константа, в то время как и пространство, и время являются локальными явлениями относительно энергии объекта. Таким образом, объект в относительном движении укорачивается по направлению своего импульса (сокращение Лоренца), а разворачивание событий замедляется (расширение времени). Пассажир на объекте не может обнаружить изменение, так как все измерительные приборы на борту этого транспортного средства испытали сокращение длины и замедление времени. Только внешний наблюдатель, испытывающий относительный покой, измеряет объект в относительном движении, который должен быть укорочен по пути его движения, и его события замедляются. Особая относительность оставила теорию Ньютона - которая утверждает, что пространство и время абсолютны - неспособны объяснить гравитацию.

По принципу эквивалентности Эйнштейн сделал вывод о том, что пребывание в условиях либо гравитации, либо постоянного ускорения является неразличимым переживанием, которое может иметь общий физический механизм. Предложенный механизм представлял собой постепенное сокращение длины и расширение времени - следствие локальной плотности энергии в трехмерном пространстве - устанавливая прогрессивное напряжение внутри жесткого объекта, снимая его напряжение, перемещаясь в сторону места наибольшей плотности энергии. Особая относительность была бы ограниченным случаем гравитационного поля. Особая относительность будет применяться, когда плотность энергии в трехмерном пространстве равномерна, и поэтому гравитационное поле равномерно масштабируется от места к месту, почему объект не испытывает ускорения и, следовательно, гравитации.

Общая относительность

В 1915 году общая теория относительности Эйнштейна вновь объяснила гравитацию с 4D пространственным временем, смоделированным как лоренцовый коллектор. Время - это одно измерение, объединенное с тремя измерениями пространства, так как каждое событие в 3D пространстве-2D по горизонтали и 1D по вертикали - представляет собой точку вдоль оси времени 1D. Даже в повседневной жизни одно состояние или подразумевает и то, и другое. Один говорит или, по крайней мере, означает: "Встретимся в доме 123 на Мейн-стрит, пересекающем улицу Франклин, в квартире 3D 10 октября 2012 года в 9:00 вечера". Пропустив или пропустив координаты времени, вы приедете в нужное место в пространстве, когда искомое событие отсутствует - это в прошлом или будущем, возможно, в 18:00 или 12:00.

Сопоставляя пространство и время и предполагая и то, и другое относительно плотности энергии в окрестностях, и устанавливая единственную постоянную или абсолютную, даже не массу, а скорость света в вакууме, общая относительность выявила естественное ранее немыслимое равновесие и симметрию мира. Каждый объект всегда движется со скоростью света по прямой линии - в эквиваленте, по изогнутой поверхности, называемой геодезической или мировой линией - по одному пути наименьшего сопротивления, подобно свободному падению через 4D пространство-время, геометрия которого "изгибается" в окрестности массы/энергии.

Объект со скоростью света в вакууме движется с максимальной скоростью через 3D-пространство, но не проявляет никакой эволюции событий - он замерзает во времени, в то время как неподвижный объект в 3D-пространстве движется полностью по 1D-времени, испытывая максимальную скорость разворачивания событий. Отображаемая Вселенная относительна к заданному местоположению, но как только масса/энергия в этой окрестности заявлена, уравнения Эйнштейна предсказывают, что произойдет - или произошло, или произойдет - где угодно во Вселенной. Популяризировалось мнение, что относительное в теории Эйнштейна предполагает субъективное или произвольное было к некоторому сожалению Эйнштейна, который позже думал, что он должен был бы назвать это общей теорией.

Космология

Частицы посланника электромагнитного поля, фотоны, несут изображение вне времени по всей Вселенной, в то время как наблюдатели внутри этого поля имеют достаточно потока во времени, чтобы декодировать это изображение и реагировать, перемещаясь в пределах 3D пространства, но никогда не могут обогнать это вневременное изображение. Считается, что состояние Вселенной ниже 400 000 лет после предполагаемого большого взрыва, который начался в нашей Вселенной, отображается как космический микроволновый фон (CMB).

В 1915 году вселенная считалась полностью такой, какой мы сейчас называем галактикой Млечного Пути, и статической. Эйнштейн оперировал недавно опубликованными уравнениями гравитационного поля и обнаружил, что Вселенная расширяется или сжимается. Он пересмотрел теорию, добавив космологическую константу, чтобы произвольно уравновесить Вселенную. В начале 1930 года телескопические данные Эдвина Хаббла, интерпретированные через общую относительность, показали, что вселенная расширяется.

В 1916 году на поле боя Первой мировой войны Карл Шварцшильд оперировал уравнениями Эйнштейна, а решение Шварцшильда предсказывало черные дыры. Спустя десятилетия астрофизики обнаружили сверхмассивные черные дыры в центре, возможно, каждой галактики. Черные дыры, похоже, ведут к образованию и сохранению галактик, регулируя образование и разрушение звезд.

В 1930-х годах было замечено, что в соответствии с общей относительностью, галактики будут распадаться, если не будут окружены невидимой материей, удерживающей галактику вместе, и к 1970-м годам темная материя начала приниматься. В 1998 году было сделано предположение, что расширение Вселенной, а не замедление, ускоряется, указывая на огромную плотность энергии - достаточной для ускорения как видимой материи, так и темной - через вселенную, обширное поле темной энергии. Очевидно, что менее 5% состава Вселенной известно, в то время как остальные 95% - это таинственная темная материя и темная энергия.

квантовое царство

Странная механика

К 1920-м годам для зондирования работы электромагнитного поля на миниатюрных шкалах пространства и времени была разработана квантовая механика (КМ). Однако электроны - частицы материи, взаимодействующие с фотонами, которые являются носителями силы электромагнитного поля, - казалось бы, полностью игнорировали механические принципы. Никто не мог предсказать местоположение квантовой частицы время от времени.

В эксперименте с щелью электрон пройдет через одну дырку, расположенную перед ним. И все же один электрон проходил бы одновременно через несколько отверстий, однако многие из них были помещены перед ним. Одиночный электрон оставлял бы на детекторной плате интерференционную картину, как если бы одиночная частица была волной, проходящей через все дырки одновременно. И все же это происходило только в незамеченном состоянии. Если бы в ожидаемом событии был свет, взаимодействие фотона с полем установило бы электрон в единственное положение.

Однако по принципу неопределенности точное местоположение и импульс любой квантовой частицы не могут быть определены с уверенностью. Взаимодействие частицы с прибором для наблюдения/измерения отклоняет частицу таким образом, что большее определение ее положения приводит к более низкому определению ее импульса, и наоборот.

Теория поля квантована

Распространяя квантовую механику по полю, появилась последовательная закономерность. От местоположения к соседнему местоположению, вероятность того, что частица, существующая там, будет подниматься и опускаться, как волна вероятности - плотность вероятности поднимается и опускается. Когда незамеченной, любая квантовая частица входит в суперпозицию, так что даже одна частица заполняет все поле, каким бы большим оно ни было. Тем не менее, частица определенно нигде в поле, но там с определенной вероятностью по отношению к тому, был ли он был в соседнем месте. Форма волны электромагнитного поля Максвелла была сгенерирована накоплением вероятностных событий. Не частицы, а математическая форма была постоянной.

Настройка поля на специальную относительность Допустимый прогноз полного электромагнитного поля. Таким образом, возникла релятивистская квантовая теория поля (QFT). Из электромагнитного поля следует, что оно является релятивистской квантовой электродинамикой (КЭД). Из слабых и электромагнитных полей вместе взятых, это релятивистская теория электромагнитного ослабления (EWT). Из сильного поля - релятивистская квантовая хромодинамика (QCD). В целом, это стало Стандартной моделью физики частиц.

Отдел физики

Когда стандартная модель настроена на общую относительность для включения массы, появляются плотности вероятности бесконечности. Это считается неправильным, так как вероятность обычно колеблется от 0 до 1-0% до 100%. Некоторые физики-теоретики подозревают, что задача находится в Стандартной модели, которая представляет каждую частицу нулевой размерной точкой, которая в принципе может быть бесконечно малой. Тем не менее, в квантовой физике константа Планка является минимальной единицей энергии, на которую можно разделить поле, возможно, разгадкой к наименьшим размерам частицы. Таким образом, существует стремление к количественному определению гравитации, чтобы разработать теорию квантовой гравитации.

Концепция

Рамочная основа

Струнные догадки, что на микроскопической шкале 4D пространственное время Эйнштейна представляет собой поле коллекторов Калаби-Яу, каждый из которых содержит 6 пространственных измерений, скрученных вверх, таким образом, не расширяющихся в 3 пространственных измерения, представленных в классическом царстве. В теории струн каждая квантовая частица заменяется 1D струной колебательной энергии, длина которой равна длине Планка. По мере движения струны она прослеживает ширину, и, таким образом, становится 2D, листом мира. По мере того, как струна вибрирует и движется в пространстве 6D Калаби-Яу, она становится квантовой частицей. При таком подходе гипотетический гравитон, предсказанный для объяснения общей относительности, легко возникает.

Теории

Теория струн началась с теории бозонных струн, 26 измерений которых действуют на порядок меньше. Однако в ней моделировались только бозоны, которые являются энергетическими частицами, и опускались фермионы, которые являются частицами материи. Поэтому теория бозонных струн не могла объяснить материю. Однако, добавив к теории бозонных струн суперсимметрию, фермионы были достигнуты, и теория струн стала теорией суперструн, объясняющей материю тоже.

(В версиях квантовой теории поля, включающих суперсимметрию (SUSY), каждый бозон имеет соответствующий фермион, и наоборот. То есть, каждая энергетическая частица имеет соответствующую частицу материи, и каждая материя имеет соответствующую энергетическую частицу, но невидимый партнер более массивен и, следовательно, супер. Эти суперпартнеры могут показаться экстравагантным предсказанием, но многие теоретики и экспериментаторы отдают предпочтение суперсимметричным версиям Стандартной модели, уравнения которой в противном случае должны быть экстравагантно и иногда произвольно скорректированы, чтобы сохранить предсказательный успех или математическую последовательность, но с суперпартнерами выровнены).

Разногласия

Неоспоримо-научно?

Утверждение теории струн о том, что все молекулы являются энергетическими струнами, вызвало жесткую критику. Существует множество версий теории струн, ни одна из которых не вполне успешно предсказывает данные наблюдений, объясняемые стандартной моделью. В настоящее время известно, что теория струн имеет бесчисленное множество решений, часто предсказывающих странные и неизвестные вещи. Некоторые утверждают, что теории строк выбирают только желаемые прогнозы.

Утверждение о том, что теория струн не делает явных предсказаний, является ложным, так как она делает много. Никакая теория - предсказывающая и, возможно, объясняющая модель некоторой области природных явлений - не поддается проверке. Все традиционные физические теории до Стандартной модели выдвигали претензии на неочевидные аспекты мира природы. Даже Стандартная модель имеет различные интерпретации относительно мира природы. При работе со Стандартной моделью часто используется версия с суперсимметрией, удваивающая количество видов частиц, идентифицированных до сих пор физиками-частиц.

Никто не может в буквальном смысле слова измерить пространство, однако Ньютон постулировал абсолютное пространство и время, и теория Ньютона сделала явные предсказания, весьма правдоподобные и предсказывающие успех в течение 200 лет, но теория все равно была сфальсифицирована как объяснение природы. Физики признают, что не существует такой притягательной силы, непосредственно притягивающей материю к материи, не говоря уже о том, что эта сила мгновенно пересекает вселенную. Тем не менее, теория Ньютона все еще является парадигмой науки.

Скрытые размеры?

Идея скрытой размерности пространства может показаться оккультной. Некоторые теоретики квантовой гравитации петли - претенденты на теорию квантовых гравитационных струн - в корне заблуждаются, предполагая, что пространство даже имеет форму до тех пор, пока частицы не придают ему форму. То есть они не сомневаются, что пространство принимает различные формы, просто рассматривают частицы как определяющие форму пространства, а не наоборот. Вихрь пространства-времени, предсказанный общей относительностью, по-видимому, подтверждается.

Если интерпретировать как естественную истину, то Стандартная модель, представляющая квантовую частицу в виде точки 0D, уже указывает на то, что пространство-время - это море закрученных форм, квантовой пены. Теоретики струнных теорий склонны считать природу более элегантной, веру в то, что теоретик струнных теорий Ли Смолин отвергает как романтичную, используя в качестве риторического прибора "Современный синтез" биологии. Эксперименты по обнаружению дополнительных пространственных измерений пока что не увенчались успехом, но все же есть вероятность, что признаки этого могут появиться.

Так много решений?

В теории М есть много триллионов решений. Леонард Сасскинд, лидер теории струн, интерпретирует пластичность решений теории струн как парадоксальную поддержку, разрешающую загадку, почему существует эта Вселенная, как показывает теория M, но как вариант общего шаблона, который всегда дает приблизительно результат.

Общая относительность принесла много открытий, которые в 1915 году были почти немыслимы, кроме как в художественной литературе. Решение уравнений Эйнштейна, которое пыталось объяснить динамику квантовых частиц, мост Эйнштейна-Розена предсказывает короткий путь, соединяющий две далекие точки в пространстве-времени. Мост Эйнштейна-Розена, который обычно называют червоточиной, подвергается сомнению, но не опровергается, показывая либо то, что не все последствия теории должны быть точными, либо то, что реальность является довольно странной в способах, не поддающихся наблюдению.

Многие миры

Даже Стандартная модель физики частиц предполагает причудливые возможности, которые популистские отзывы о науке либо опускают, либо упоминают в качестве необъяснимых курьезов. Теория условно получает копенгагенскую интерпретацию, согласно которой поле - это только возможности, ничто не реально до тех пор, пока наблюдатель или прибор не взаимодействует с полем, волновая функция которого затем рушится и оставляет только свою функцию частицы, а реальными - только частицы. Однако коллапс волновой функции просто предполагался - ни экспериментально подтвержденный, ни даже математически смоделированный - и не было обнаружено отклонений ни от волновой функции в квантовом царстве, ни от функции частицы в классическом царстве.

В 1957 году Хью Эверетт описал свою интерпретацию "Относительного состояния". Эверетт утверждал, что волновая функция не разрушается, а поскольку предполагается, что вся материя и взаимодействия строятся из квантовых волновых частиц, то все возможные вариации квантового поля, определяемые математическими уравнениями, являются реальными и одновременно происходящими, но разными ходами истории. Согласно этой интерпретации, все, что взаимодействует с полем, соединяется с состоянием поля, которое по отношению к состоянию наблюдателя само по себе является волновой формой в его собственном квантовом поле, в то время как они просто взаимодействуют в универсальной волновой форме, никогда не рушатся. К настоящему времени интерпретация многими физиками явного перехода от квантовых к классическим областям - это не коллапс волновых функций, а квантовая декогерентность.

При декогерентности, взаимодействие с полем приводит наблюдателя только в одно определяющее созвездие квантового поля, и поэтому все наблюдения совпадают с этим новым, комбинированным квантовым состоянием. Тезис Эверетта вдохновил на интерпретацию многих миров, в которых внутри нашей Вселенной предсказывается существование практически или потенциально бесконечных параллельных миров, которые реальны, но каждый из них находится на ничтожно малом расстоянии от других миров. Поскольку волновая форма каждого мира универсальна - не рушится, а его математические отношения инвариантны, параллельные миры просто заполняют пробелы и не соприкасаются.

Многие вселенные

Эйнштейн сомневался, что черные дыры, как предсказывает решение Шварцшильда, реальны. Некоторые сейчас полагают, что черные дыры как таковые не существуют, а представляют собой темную энергию, или что наша Вселенная - это бота - черная дыра и темная энергия. Решение Шварцшильда из уравнений Эйнштейна может быть максимально расширено, чтобы предсказать, что черная дыра имеет обратную сторону - другую вселенную, выходящую из белой дыры. Возможно, большой взрыв нашей вселенной был наполовину большим отскоком, что-то обрушилось на черную дыру, и наша вселенная выскочила с другой стороны, как белая дыра.

Частицы - это струны?

Физики широко сомневаются в том, что квантовые частицы действительно являются точками 0D, как это представлено в Стандартной модели, которая предлагает формалистско-математические устройства, штрихи которых предсказывают интересующие явления на входе данных, а не интерпретацию механизмов, определяющих эти явления. Однако струнные теоретики склонны оптимистично предполагать, что струны являются и реальными, и объяснительными, а не просто предсказывающими устройствами. Способность современных ускорителей частиц приводить в движение любые зондирующие частицы на уровне энергии, достаточно высоком, чтобы преодолеть собственную энергию квантовой частицы и определить, является ли она струной, далеко выходит за рамки возможностей современных ускорителей частиц. Однако это ограничение существует и при тестировании других теорий квантовойгравитации. Разработки предлагают другие стратегии для "наблюдения" за структурой квантовых частиц.

Парадоксально, но даже если бы испытания подтвердили, что частицы - это энергетические струны, это все равно не смогло бы окончательно доказать даже то, что частицы - это струны, так как могли бы быть и другие объяснения, возможно, неожиданное искривление пространства, хотя частица была 0D точкой истинной твердости. Даже когда предсказания успешны, существует множество возможных объяснений - проблема недоопределения, - и философы науки, как и некоторые ученые, не принимают даже безупречного предсказательного успеха в качестве подтверждения объяснений успешной теории, если они предстают как предлагающие научный реализм, истинное описание мира природы.

Материя - это энергия?

Разговоры физиков-частиц, проверяющих предсказанные физиками-теоретиками частицы при столкновении в ускорителях, говорят о том, что квантовые частицы - это крошечные ньютоновские частицы, которые экспериментаторы раскрывают, раскрывая их структуру. Вместо этого, когда сталкиваются две частицы, каждая из которых имеет определенную массу, измеренную с точки зрения энергии как электрон-вольт, они могут объединиться в частицу с такой комбинированной массой/энергией, и образовавшаяся частица "наблюдается" для соответствия предсказанию.

Физики не спорят, что все частицы - это энергия. Теоретики петлей, иногда соперничающие с теорией струн, утверждают, что само пространство-время преобразуется в частицы. Материя как особый вариант энергии была следствием специальной теории относительности Эйнштейна, после чего Эйнштейн формализовал эквивалентность массы-энергии, E=mc2. При столкновении достаточно энергичных фотонов они могут объединять и генерировать материя-вещество. Все частицы имеют античастицы, а атомы материи - антиатомы антиматерии, объединение которых уничтожает частицы и материю, оставляя энергию.

События

Вдохновляющим развитием является открытие зеркальной симметрии, при которой пространства Калаби-Яу имеют тенденцию складываться в пары таким образом, что решения, ранее сложные в экстремальном колебательном режиме одной струны, могут быть решены с помощью зеркальной геометрии пространства Калаби-Яу в его противоположном диапазоне.

Теория струн обычно решается с помощью конформной теории поля, квантовой теории поля на 2D пространстве. Подтверждается, что молекулы могут распадаться до 2D. И электрон, долгое время предполагаемый как элементарная частица, по-видимому, расщепляется на три единицы по отдельности, несущие электрон трех степеней свободы, когда молекулы, содержащие электроны, направляются по 1D-пути.