Сайт о физике - VI: теория объединения - из теории струн ...

VI: теория объединения - от теории струн к М-теории
Часть 1: теория струн

И вот время для последнего предложения об объединении, которое физика имеет для нас, но в течение многих лет было наиболее одобренным среди мыслителей, несмотря на многие недостатки и недостатки. Тем не менее, я вас уверяю, что это потребует наибольшего внимания и умственных усилий.
Эта теория, как вы можете догадаться, относится к струнам, но не обязательно к тем, которые музыканты используют ежедневно. Это крошечные элементы длиной 10-31 метр, которые должны заменить точечные частицы, предлагаемые нам стандартной моделью. Каждая такая струна постоянно вибрирует, следуя традиционному образцу и своей структуре резонансных колебаний, обеспечивающих частицу массой и зарядом.
Более того, используя гитару и одни и те же струны, мы можем извлечь из нее различные ноты, у струны разные режимы вибрации, ее динамика определяется натяжением и кинетической энергией, поэтому она может принимать характеристики частиц разных видов с их массой, зарядом и вращением, а также Из-за более чем традиционного числа измерений в теории струн - она ​​может вибрировать в более чем 3 направлениях, поэтому спектр мод колебаний гораздо богаче, чем для обычной струны. Энергия колебаний струны зависит от амплитуды колебаний, то есть от отклонений между гребнями и впадинами и длины волны - расстояния между одним и другим максимумом.
Мы различаем открытые и закрытые строки. Рисунок одной из закрытых струн приписывается гравитону, а фотон соответствует открытой струне.
Как обнаружили Шерк и Шварц в 1974 году, интенсивность силы, передаваемой струной гравитона, прямо пропорциональна ее натяжению. И это заставляет его испытывать огромное напряжение, соответствующее миллиарду миллиардов миллиардов миллиардов или 10 ^ 39 тонн. Именно это натяжение приводит к сокращению струны и ее чрезвычайно малому размеру. Это, в свою очередь, сильно влияет на их энергию - энергия колебаний струны и натяжение значительно увеличивают энергию вибрации, однако она всегда остается кратной минимальной номинальной энергии, а амплитуда вибрационного рисунка соответствует кратному.
Эта энергия все еще очень велика, мы говорим об энергии Планка, которая в терминах массы (E = mc2) дает 10 ^ 19 раз больше массы протона.
Отсюда можно спросить, как мы объясним существование протона и гораздо более легких частиц, таких как, например, кварки. Ответ в том, что эта масса терпима из-за наличия квантовых колебаний, даже когда струна, по-видимому, находится в покое. Отрицательную энергию квантовых и традиционных колебаний иногда отменяют. Хотя это может спровоцировать некоторую оппозицию, поскольку сама струна является лишь квантовым объектом - я сказал, что теория струн все еще имеет различные упущения, но ее формула на уровне математики основана как на классической, так и на квантовой физике.
Именно это правило дрейфа лишает гравитон массы.
Итак, наша модель вибрации частиц отвечает за ее массу, а значит, и за ее гравитационные свойства.
То, как теория струн примиряет теорию относительности с квантовой механикой, состоит в том, чтобы смягчить проблему квантовых флуктуаций, которые вносят зернистость, отсутствие гладкости в пространственно-временную структуру гладкости и активности гравитационного поля, которая основана на объяснениях в областях, меньших, чем длина Планка. И хотя мы используем в наших ускорителях полный набор принципов, которые увеличивают импульс частицы, почти синонимичны ее энергии, поэтому дозирование огромного количества энергии сокращает волну и дает нам возможность более тщательного наблюдения, так как все знают, что прикосновение к мраморной поверхности не обнаружит зерна, а с использованием таких методов исследования, как микроскопы, при определенном предельном размере огромные количества энергии не помогут. И строка не в состоянии изучить объект меньше, чем он сам. В случае струны мы также наблюдаем квантовое размытие, как в случае точечной частицы и в результате ее пространственных измерений. Следовательно, в теории струн существование флуктуации гравитационного поля не учитывается, когда его невозможно исследовать с помощью струн, предполагая, что их существование является ошибкой в ​​результате придания частице точечной формы. Тем не менее, решение несколько напоминает подметание комнаты с коврами ;)
Что касается того, как теория струн объединяет допущения теории относительности, достаточно вспомнить некогда парадоксальный феномен поездов, когда часы движущегося человека не будут соответствовать наблюдателю на станции (мы не видим этого явления каждый день, потому что дефекты настолько маленький, что каждый из нас должен был бы иметь атомные часы ;)).
То же самое в мире струн. Если принять во внимание простое фотоэлектрическое явление, то электронный контакт с позитронами их аннигиляции и испускания фотонов на уровне струн будет представлять собой две струны, сливаясь в одну, а затем повторно распространяясь в две (на фиг.1 их двумерное сечение мировой линии), Форма напоминает рогатку. В случае двух наблюдателей в относительном движении - например, Ева и Адам, каждый из них будет наблюдать момент столкновения позитронов и электронов в разное время, на показанной модели - под другим углом (рис. 2 и 3).
Подход теории струн лишает квантовые детерминанты места и времени и просто занимает определенное место и время событий для точечных частиц, таких как фотон или гравитон, приводящих к бесконечности.
Кроме того, теория струн является теорией симметрии, независимо от того, является ли она принципом разнообразия относительности, который устанавливает, что «все законы движения для тел в состоянии свободного падения такие же, как в соответствующей инерциальной системе» и «все законы движения» в результате "tudzie" "однородного гравитационного поля любой негравитационный эксперимент не зависит от того, где во Вселенной он проводится". Потому что мы также знаем, что законы физики в нашей вселенной одинаковы, независимо от местоположения, и бег на 100 метров на Луне будет совершенно другим только из-за его гораздо меньшего гравитационного поля.
Аналогично, теория струн предполагает симметрии, которые управляют законами квантовой механики - теориями сопоставления фундаментальных взаимодействий.
Более того, помимо струн также вводятся структуры, называемые отраслями (от слова «мембрана»), которые на математическом уровне обобщают дифференциальные уравнения вектора потенциала электромагнитного поля. Их конкретный тип D-браны, индустрия с меньшим диапазоном размеров, может иметь только четное 0-8 или нечетное число 1-7, число измерений, в зависимости от того, в IIA или IIB модели теории струн. Эти D отрасли отождествляются на реальном уровне с черными дырами. D-brana является конечной точкой открытой струны, поэтому мы находим здесь двойственность гравитации и клеймения.
Идя дальше в процессе создания теории струн, была создана теория суперсимметрии, которая также смягчает влияние квантовых флуктуаций. Первоначально теория струн предсказывала существование только бозонных струн с их калибровочной симметрией и 26-мерным пространством, но была нестабильность, связанная с распадом пространства-времени. Как мы знаем, современная суперсимметрия примиряет бозоны и фермионы, но для каждой частицы предсказывает существование своего суперсимметричного близнеца, и вы, возможно, слышали о потрескиваниях, гиозинеинах и фотинах и их экспериментальном подтверждении свечой (ускоритель) ;)) искать .. Жаль, потому что открытие суперсимметрии может быть своего рода подтверждением теории струн, хотя утверждается, что она хорошо работает в отношении точечных частиц.
Если пойти дальше, теория струн также предоставляет нам большее количество измерений, чем мы наблюдаем каждый день, и это то, что вдохновляло меня много лет назад.
Первым создателем был некий Теодор Калуза, физик и математик польского происхождения, который переписывался с Альбертом Эйнштейном, поощряя введение дополнительного измерения, которое бы примирило гравитацию с электромагнетизмом. Со временем А. Эйнштейн убедился в своей концепции.
Позднее в теории струн возникла необходимость ввести дополнительные 6 измерений (а следовательно, 10, в М-теории и даже 11), чтобы устранить аномалию конформной поверхности конформной теории поля. Целью здесь является поддержание согласованности теории, потому что она связывает число измерений с масштабом потенциальной энергии, потому что конформная аномалия существует отдельно для каждого измерения. На практике - когда фотон предсказывает нулевую массу, и мы знаем, что энергия возникает из-за флуктуации вакуума, эффекта Казимира, что в одномерном пространстве-времени он остается безмассовым, и когерентная теория должна иметь определенное количество измерений.
Почему же тогда мы не видим больше 3-4, включая временные измерения? предполагается, что остальные были подвергнуты компактификации, пока невозможно найти технический метод для их наблюдения, и наши 3 были исключительно расширены. Сразу после образования вселенной в большой космической толще струны обернулись вокруг размеров, не позволяя их дальнейшему космическому расширению, но случайные тепловые колебания сделали на три больше, чем другие. Тогда струны сталкивались и обматывали их. И из-за того, что половина усреднения была бы противоструйными, в связке с намотанными нитями происходило бы уничтожение, освобождая незаконченные струны, и это давало бы свободу, расширяющую все новые и новые измерения.
Цель представить, какова размерная компактность автора книги «Красота Вселенной», позволяет предположить, что мы наблюдаем за садовым шлангом с небольшого расстояния, например, 400 м, и мы должны определить местоположение муравья на змее. Змея в нашем воображении будет тонкой линией - она ​​будет одномерной, и чтобы указать местоположение муравья, мы будем использовать только два вектора справа и слева от центральной точки змеи. Тот факт, что змея имеет окружность и на каком расстоянии от центра и в каком месте относительно окружности находится муравей, мы заметим только на близком расстоянии. Итак, мы будем говорить об оставшихся двух измерениях, что они свернуты.
Возвращаясь к теме энергии струн, струна оборачивается вокруг сферы в пространстве Калаби-Яу, поскольку вибрации соответствуют энергии этой струны, вместе составляют ее полную энергию.
А что такое пространство Калаби-Яу (из названий математиков Эудженио Калаби из Университета Пенсильвании и Шинг Тунг Яу из
Университет Гаварда) потому что я тебе еще не объяснил? Это топологическая разновидность (для тех, кто в ужасе от определения, я очень рекомендую иллюстрацию 4), созданная Филипом Кандельсом, Гари Хоровицем, Эдвардом Виттеном, который представляет эти свернутые измерения.

Это форма, напоминающая широкую мятую бумажную ленту в форме шара с отверстиями и выступами. Однако это не очень удачное творение, потому что существуют десятки тысяч версий, которые по своей сложной форме соответствуют теории струн, и никто не знает, какая из них правильная.
Что важно, это пространство Калаби-Яу с его количеством отверстий полезно для определения количества поколений частиц в Стандартной модели, 3. Хотя иногда эти значения сильно отличаются, когда мы упоминаем, сколько разных моделей Calaby Yau учитывается, что не делает теорию достаточно убедительной - иногда это 4,5, 25 или даже 480 лунок, но правда в том, что математическое описание Структура Калаби Яу не очень точна и основана на исчислении возмущений. В то же время, дыры отвечают за значения зарядов струнных частиц, но аналогично они не обязательно идентичны реальным, например, 1/3 для кварков, иногда они являются дробями, такими как: 1/5, 1/11, 1/13, 1/53,
Но этому есть объяснение, потому что размер должен быть развернут определенное количество раз вокруг отверстия, поэтому часть нагрузки теряется.
Между тем места, где катушки «бумажного полотна» соприкасаются, пересекаются, перекрываются и определяют массу элементарных частиц.
Еще одной проблемой теории струн была множественность ее версий - до 1980-х годов. Предполагалось пять различных версий теории струн: открытый тип 1, закрытый тип II, закрытый IIA, закрытый II B, гетеротический SO (32) и гетеротический E8 xE 8, но позже все они были объединены версии в одном с помощью дуальности, такие, что Т-дуальность относится к расстоянию между струнами, дуализм S соединяет сильные и слабые взаимодействия между струнами, а U сочетает дуализм S и T.
Что касается геометрии теории струн, то она не идентична геометрии Рамана с ее моделями искривленных пространств, которые стали основой теории гравитации Эйнштейна.
Здесь многое зависит от длины Планка, которая в струнной модели является длиной границы. Когда мы представляем коллапс, который будет означать коллапс Вселенной ниже длины Планка в мире струн, это будет означать явление обратного отражения и расширение по длине Планка.
Более того, струна обратно пропорциональна радиусу кругового размера, что вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга, а ее длина прямо пропорциональна радиусу. Таким образом, когда радиус сферы, которая окружает струну, невелик, мы имеем небольшое количество витков, высокую частоту колебаний, а когда радиус большой, энергия, поступающая от обмоток, велика, а вибрации малы, но на физическом уровне эти струны - представления частиц не отличаются энергия, полная энергия.

Подобную зависимость радиуса и энергии можно увидеть, рассматривая динамику струн на двумерной поверхности, такой как упомянутый садовый шланг. Часть его движения основана на динамике вибраций, и некоторые сдвиги, по мере их движения, мы будем называть этими сдвигами с однородными колебаниями.
Теперь, если мы уменьшаем радиус кругового размера, связанная энергия движения струны увеличивается, это означает, что эти два значения обратно пропорциональны, и, хотя это кажется противоречащим предыдущему, потому что струны намотки кажутся прямо, а не обратно пропорциональны радиусу, это связано с тем, что также минимальная длина (намотанная) струн пропорциональна радиусу. Более того, в масштабе такой двумерной вселенной это означает, что каждое измерение с большим радиусом R имеет эквивалент радиуса r, одно получает энергию из обмоток, что соответствует энергии колебаний в другом, и что их полная энергия одинакова. Таким образом, две разные геометрические версии двумерной вселенной неразличимы.
Таким образом, из этих соображений мы можем сделать вывод о массе струн, потому что наличие легких струн соответствует большой и расширяющейся вселенной, а тяжелое относится к маленькой, сокращающейся вселенной.
Здесь стоит упомянуть теоретический подход к космологической постоянной. Это была константа, которую Эйнштейн ввел в свои уравнения, стремясь получить статическую модель вселенной. Однако позже он отказался от него, потому что, как мы знаем, оказалось, что вселенная действительно расширяется. Однако он оставил это без необходимости, потому что, согласно теории струн (наблюдения подтверждают это), космологическая константа действительно существует и равна нулю или не намного больше, чем. К сожалению, расчеты теоретиков отличаются на 12 (10 ^ 21) порядков от экспериментальных данных.
Возвращаясь к вопросу о витой разновидности Calaby-Yau. Как объяснили математики Pixon, Lercke, Vafa и Manner, для двух свернутых измерений выбор одной из многих моделей CY не так важен, потому что для двух свернутых измерений, поскольку эта структура, дающая количество поколений частиц, не указывает, сколько отверстий попадает в каждое измерение.
Более того, Брайан Грин, исследующий пространство CY, представляет собой математический метод орбитального скручивания 25 В, обнаружив, что число измерений с четным числом отверстий соответствует числу измерений с нечетным числом, общее число отверстий является фиксированным, а количество поколений частиц постоянным на физическом уровне. Это свойство было названо «зеркальными многообразиями».
И, как утверждают Филипп Кандела и Монике Линкер, структуры Калаби Яу всегда появляются парами - одна с нечетной парой.
Что еще очень интересно в теории струн, основным мотивом исследования Грина была возможность разорвать пространство Калаби-Яу. Он провел моделирование разделения связанных элементов CY и их объединения по-разному, создавая совершенно другую структуру Calab Yau. Эта операция называется топологической трансформацией. Он будет работать по принципу замены поверхности двумерной сферы - вы можете представить его как поверхность шарика в точке, затем он разорвется и снова увеличит масштаб до поверхности сферы. Вместе с Энди Латкеном и Полом Аспинволлом они изучили уравнения, касающиеся зеркального пространства, и, хотя ожидаемое значение составляло около 3, они получили результат 8 999 999. Однако тот факт, что он настолько близок к полному числу, означал, что они не рассматривали его как провал.
Вышеупомянутое явление разрыва пространства было бы незаметным, потому что в двумерном пространстве нить обвивается вокруг разрыва и немедленно связывает их вместе. Между тем, что касается более многомерных миров - здесь у нас есть двумерные диафрагмы и трехмерные три браны, которые я извлеку из М-теории, в данном случае, три браны, окружающие трехмерную дыру, создают очень сильное гравитационное поле, становящееся черной дырой, как я упоминал.
Однако получение аналогичных выводов основано только на пертурбативном исчислении расстройств, т. Е. На допущении определенных вероятностей в расчетах и ​​последующем применении последующих поправок.
Это похоже на ситуацию, когда вы отправляете автомобиль на ремонт, и его сумма составляет 1200 злотых, но в конечном итоге стоимость новой батареи - например, 300 злотых, новый клиновой ремень, 50 злотых и т. Д., Пока мы, наконец, не заплатим 1700 злотых, вопреки ожиданиям.
Более того, тот факт, что пространство соединяется после разрыва, обусловлено константой связи, которая неизвестна. Вы можете указать его только с помощью уравнения 0 xs = 0, поэтому константа (ы) связи может быть любым произвольным числом.
Таким образом, вопреки предсказаниям Эйнштейна о гладком пространстве-времени (возможно, исключая гравитационные волны), стрингеры говорят, что пространство - это лоскутное одеяло.
Так как же трехмерная сфера перейдет в точку и после склейки станет двухмерным объектом? С целью покорить это в воображении физики обычно рекомендуют представить все в пространстве, лишенном измерения. Это такая ситуация, что одномерный объект должен перейти в нульмерный. В трехмерном пространстве двумерная сфера представляется нам как набор точек, одинаково отстоящих от центра, поскольку одномерный объект - это круг, а нульмерный состоит из двух точек, так что радиус находится на одинаковом расстоянии от каждой из них. С помощью этого метода, топологического преобразования из формы сферы или бублика, мы получаем что-то вроде банана, поэтому их называют коническими пересечениями.
Идя дальше, модель фазовых переходов известна больше в термодинамике, где даже для воды мы имеем несколько состояний концентрации и несколько типов симметрии, аналогично вещам с частицами. Когда для движущихся частиц воды обнаруживается вращательная симметрия, вода превращается в лед, теряет вращательную симметрию в пользу кристаллической симметрии, а по мере того, как газ приобретает еще большую вращательную симметрию. Теория струн предсказывает явление, называемое плавлением черных дыр, которое будет выполнять функцию фундаментальных колебаний струны. Таким образом, частицы и черные дыры будут двумя сторонами одной медали.

Что касается космологической модели Большого взрыва, знакомой всем нам, то, по мнению математиков, Габриель Венециано и Маурицио Гасперини поначалу не должны были быть очень плотными и горячими. Напротив, их исследования привели их к концепции холодной и бесконечной вселенной на заре истории. Однако нестабильность может привести к последующему расширению, увеличению температуры и искривлению пространства.
Как Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа, в свою очередь, по их мнению, сначала Вселенная была в форме Планка, и ее температура была большой и все равно уменьшалась, но из-за предельного значения температура прекратилась, и температура начала снижаться.
Затем наступает фаза инфляции в трех измерениях. Не все, потому что струны имеют тенденцию оборачиваться вокруг размеров, ограничивая их таким образом.
Более того, теория струн предполагает, что формы многообразия CY постоянно менялись на основе конусных переходов на начальных этапах создания вселенной, но позже этот процесс начал замедляться с инфляцией, но именно он решил со своей множественностью моделей Калаби-Яу о форме известной вселенной.

Более того, создатели теории струн, зная о состояниях связных струн, о том, что их состав, вибрации чрезвычайно похожи, также учитывают совершенно противоположную мысль - есть ли незавершенные состояния струн? И не были ли струны когда-то тканью пространства. Мы говорим о временах до Большого взрыва (хотя у всех сторонников стандартной космологии в настоящее время случается сердечный приступ, потому что, как мы знаем, время пришло, а раньше не могло быть), но мы уже знаем, как теория струн подходит к этому вопросу. Таким образом, его создатели мечтают познать мир без времени, «если бы мы могли создать такую ​​структуру, мы увидели бы, что пространство, время и измерение - это не основные свойства, определяющие вселенную, а скорее удобные концепции из более базового исходного состояния» [1]. Но они слишком амбициозны, особенно в контексте других теоретически обоснованных теорий, таких как большой взрыв.

И когда вы, наконец, спросите, что было бы возможным доказательством теории струн, появятся косвенные советы, которые, в случае подтверждения, могут свидетельствовать о ее проверяемости.
Примеры:
• обнаружение суперсимметричных партнеров по частицам
• наблюдение распада протона - это также гипотетическая реакция, которая не предусмотрена в стандартной модели, поскольку она нарушит правило числа барионов. Как мы знаем, протон является барионом, и барион должен содержать еще один барион среди продуктов распада, и согласно По принципу сохранения массы его масса покоя не может быть меньше массы продуктов распада, следовательно, протон согласно Стандартная модель не развалится. В то же время он отвечает за отсутствие взаимодействий, обменивающих кварки с глюонами, и это должен быть бозон, несущий одновременно и цветной, и электрический заряд. Даже сама SUSY предсказывает существование такого бозона, электрический заряд которого был бы дробным и имел бы постоянный цветовой заряд (бозон X и Y). Это позволило бы нашему протону быть позитроном и нейтральным пионом (или двумя с различным зарядом). В суперсимметрии, где частицы фермионов соответствуют бозонам-близнецам, отличающимся по спину на 1/2, таких ограничений, как в МС, нет. Следовательно, саркварк должен обладать цветным и электрическим зарядом, но он не может быть лептонным носителем из-за четности R. Однако в более сложной реакции с участием многих подобных носителей на основе диаграмм Фейнмана может возникнуть реакция распада протона. и анти-нейтрализация. Теория суперструн как теория объединения, соединяющаяся с теорией суперсимметрии, допускает обе модели
• космические струны - и теория струн также учитывает, что во время космической инфляции некоторые струны могли быть растянуты до астрономических величин. Если они существуют, их можно обнаружить, например, благодаря явлению гравитационного линзирования.
• Гармоники струн - при наличии высокой энергии будут обнаружены более тяжелые копии всех частиц, соответствующих высшим гармоникам вибрирующей струны. В среднем она в 10 ^ 14 раз ниже энергии Планка, поэтому проверить это невозможно даже на самых лучших ускорителях.
• Сила гравитации - как вы можете себе представить, большее влияние теории струн дает гравитацию в менее чем 3-мерных пространствах. Возможно, будут различия в микрогравитационных экспериментах или наблюдении микро-черных дыр на LHC.
• Отрицательная кривизна вселенной. Теория струн предсказывает положительную энергию от флуктуации вакуума для многих фаз вселенной, но она может быть нарушена появляющимися отдельными частями вселенной с более низкой энергией вакуума, своего рода пузырями, а теория струн предсказывает, что мы живем в одной из них. Если это так, то это можно проверить вместе с изучением кривизны вселенной.

Со временем теория струн была усовершенствована на теоретическом уровне в форме теории суперструн и М-теории. Хотя их особенности во многом совпадают, если вы почувствуете такую ​​необходимость, я буду рад рассказать вам об особенностях М-теории в следующей статье, потому что в одной из них будет сложно сделать вывод. В то же время я могу гарантировать, что не будет необходимости быть настолько обширным :)

источники:
Брайан Грин "Красота вселенной"

https://pl.wikipedia.org/wiki/Teoria_strun

https://pl.wikipedia.org/wiki/Rozpad_protonu

Похожие

Комментарии