Справочная статья: упрощенное объяснение и краткая история теории струн.
Теория струн представляет собой главную мечту физиков-теоретиков - описание всех сил в одной математической картине. Но после бесчисленных исписанных бумаг, конференций и маркеров «сухого стирания» на бесчисленных досках, захватывающий дух прорыв, о котором многие когда-то надеялись, кажется еще более отдаленным, чем когда-либо.
Тем не менее, даже без признаков яркого прогресса, полученное понимание оставило глубокий след как в физике, так и в математике. Нравится вам это или нет (а некоторым физикам, конечно, нет), теория струн остается здесь.
Теория струн для чайников
Теория струн направлена на решение различных теоретических проблем; наиболее фундаментальным из которых является то, как гравитация работает для крошечных объектов, таких как электроны и фотоны. Общая теория относительности описывает гравитацию как реакцию крупных объектов, таких как планеты, на искривленные области пространства, но физики-теоретики считают, что гравитация должна в конечном итоге вести себя больше как магнетизм - магниты на холодильнике держатся, потому что их частицы обмениваются фотонами с частицами холодильника. Из четырех сил в природе, только гравитации не хватает этого описания с точки зрения мелких частиц. Теоретики могут предсказать, как должна выглядеть гравитационная частица, но когда они пытаются вычислить, что происходит, когда два "гравитона" разбиваются вдребезги, они получают бесконечное количество энергии, упакованное в небольшое пространство - верный признак того, что в математике чего-то не хватает .
Одним из возможных решений, которое теоретики позаимствовали у физиков-ядерщиков в 1970-х годах, является избавление от проблемных, точечных частиц гравитона. Струны могут чисто сталкиваться и отталкиватся, не подразумевая физически невозможные бесконечности.
«Одномерный объект - это то, что действительно укрощает бесконечность, возникающую в вычислениях», - говорит Марика Тейлор, физик-теоретик из Саутгемптонского университета в Англии.
Теория струн меняет стандартное описание вселенной, заменяя все частицы материи и силы одним элементом - крошечными вибрирующими струнами, которые крутятся и вращаются немыслимыми способами, которые, с нашей точки зрения, выглядят как частицы.
Струна определенной длины, ударяющая о конкретную ноту, приобретает свойства фотона, а другая струна, сложенная и вибрирующая с другой частотой, играет роль кварка и так далее. В дополнение к укрощению гравитации каркас оказался привлекательным для своего потенциала объяснения так называемых фундаментальных констант, таких как масса электрона. Следующий шаг - найти правильный способ описания складывания и перемещения струн, надеются теоретики, и все остальное последует.
Но эта первоначальная простота оказалась за счет неожиданной сложности - строковая математика не работала в знакомых четырех измерениях (три пространства и одно время). Требовалось шесть дополнительных измерений (всего 10), видимых только для маленьких струн, подобно тому, как линия электропередачи выглядит как одномерная линия для птиц, летящих далеко над головой, но как трехмерный цилиндр для муравья, ползающего по проволоке. В дополнение к головоломке, к середине 1980-х физики выдвинули пять противоречивых теорий струн. Теория всего была сломана.
Появляется более фундаментальная теория
В течение следующего десятилетия ученые, исследующие отношения между пятью теориями, начали находить неожиданные связи, которые Эдвард Виттен, теоретик из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, собрал и представил на конференции по теории струн 1995 года в университете Южной Калифорнии. Виттен утверждал, что каждая из пяти струнных теорий представляла собой приближение к более фундаментальной 11-мерной теории в конкретной ситуации, так же, как теории относительности Эйнштейна, искажающие пространство и время, соответствуют описанию Ньютоном объектов, движущихся с нормальными скоростями.
Новая теория называется М-теорией, хотя по сей день никто не знает, какую математическую форму она может принять. Тейлор сказал, что «М», вероятно, вдохновлен объектами более высокой размерности, называемыми мембранами, но, поскольку в теории нет конкретных математических уравнений, «М» остается заполнителем без официального значения. «Это была действительно параметризация нашего невежества», - сказал Тейлор. «Это родительская теория, которая бы описывала абсолютно все».
Попытки найти те общие уравнения, которые работали бы в любой возможной ситуации, не принесли большого прогресса, но предполагаемое существование фундаментальной теории дало теоретикам понимание и уверенность так необходимые для разработки математических методов для пяти версий теории струн и применения их в правильном контексте, струны слишком малы, чтобы их можно было обнаружить с помощью любой мыслимой технологии, но одним из первых теоретических успехов была их способность описывать энтропию черной дыры в 1996 году .
Энтропия относится к числу способов, которыми вы можете расположить части системы, но, не имея возможности заглянуть в непроницаемые глубины черной дыры, никто не знает, какой тип частиц может находиться внутри или какие взаимодействия у них могут быть. И все же, в начале 1970-х годов Стивен Хокинг и другие показали, как рассчитать энтропию, предположив, что черные дыры имеют какую-то внутреннюю структуру. Большинство попыток описать структуру черной дыры терпят неудачу, но подсчет конфигурации гипотетических струн делает свое дело. «Теория струн способна дать точный подсчет, - говорит Тейлор, - а не просто сделать это правильно».
Однако структура струн все еще сталкивается со многими проблемами: она создает невозможное количество способов сложить дополнительные измерения. Более того, все эти модели основаны на эквивалентности между силовыми частицами и частицами материи, называемой суперсимметрией, которую, как и дополнительные измерения, мы не наблюдаем в нашем мире. Модели также не описывают расширяющуюся вселенную .
Ряд физиков, таких как Питер Войт из Колумбийского университета, рассматривают эти расхождения с реальностью как роковые недостатки . «Основная проблема в исследованиях по объединению теории струн заключается не в том, что за последние 30 лет прогресс был медленным, - писал он в своем блоге , - а в том, что он был отрицательным, и все, что вы узнали, более четко показывает, почему идея не работает».
Тейлор, однако, утверждает, что сегодняшние модели слишком упрощены, и что такие функции, как космологическое расширение и отсутствие суперсимметрии, могут когда-нибудь быть встроены в будущие версии. Тейлор ожидает, что, хотя новая эра астрономии гравитационных волн может принести новые лакомые кусочки информации о квантовой гравитации, будет достигнут больший прогресс, если мы продолжим изучать математику в теории струн. «У меня есть теоретическая предвзятость, - сказала она, - но я думаю, что прорыв, который я описываю, произойдет из классной доски».
Наследие теории струн, как продуктивной исследовательской программы, может быть обеспечено только за счет математической значимости.
«Это не может быть тупиком в том смысле, что мы узнали только из самой математики», - сказал Тейлор. «Если вы сказали мне завтра, что вселенная абсолютно не суперсимметрична и не имеет 10 [пространственных] измерений, мы все равно соединили целые разделы математики».
Когда Виттен и другие показали, что теории пяти струн являются тенями теории одного родителя, они выделили связи, называемые дуальностями, которые, как оказалось, внесли большой вклад в математику и физику.
Двойственность - это абстрактные математические отношения между двумя ситуациями, которые выглядят по-разному, но могут быть переведены из одной в другую. Рассмотрим, например, голограмму птицы. Это 2D или 3D? В физическом смысле наклейка плоская, но в визуальном смысле изображение имеет глубину. Оба описания согласны с тем, что голограмма содержит птицу.
Физики использовали аналогичные двойственности, чтобы соединить, казалось бы, не связанные ветви математики, такие как геометрия и теория чисел . Каждый из них работает как отдельный язык, но двойственность позволяет математикам переводить с одного на другой, решая проблемы, несостоятельные в одной структуре, используя вычисления, выполненные в другой. Другие дуальности помогают преодолеть проблемы в квантовых вычислениях. «На основе этих изысканий не сделают ваш iPhone следующего поколения - сказал Тейлор, - но он может но они могут стать основой для iPhone в 22-м веке».
Виттен, выступая в Институте перспективных исследований в мае , признал, что, хотя он больше не чувствует себя таким уверенным, как когда-то, что теория струн превратится в полную физическую теорию, его интуиция говорит ему, что теория остается продуктивной областью исследований:
«Для меня неправдоподобно, что люди случайно наткнулись на такую невероятную структуру, которая проливает так много света на устоявшиеся физические теории, а также на множество различных областей математики», - сказал он аудитории. «У меня есть уверенность, что иследования в целом идут по правильному пути, но я не утверждаю, что аргумент, который я привел, научно убедителен».
