Добрый день, уважаемый читатель! Мы уже говорили о теории струн и упоминали М-теорию. Сегодня же хочу поговорить об истории возникновения М-теории.
Ранние стадии (1970-е годы)
В 1970-х годах физики Габриэле Венециано, Леонард Сасскинд и Джоэль Шерк начали разрабатывать теорию струн, предположив, что фундаментальные частицы представляют собой одномерные струны, а не точечные объекты. Теория струн возникла как попытка объяснить сильное взаимодействие, т.е. взаимодействие между кварками и глюонами.
Немногим позднее, Йоичиро Намбу и Тецуо Гото независимо предложили действие, описывающее динамику струн, названное впоследствии действием Намбу-Гото. Это действие стало фундаментальной основой теории струн.
Это отправная точка анализа поведения струн нулевой толщины с использованием принципов лагранжевой механики.
Подобно тому, как действие свободной точечной элементарной частицы пропорционально ее собственному времени - то есть "длине" ее мировой линии, - действие релятивистской струны пропорционально площади "листа", который струна прослеживает, путешествуя в пространстве - времени.
В основу теории струн было положено утверждение, что частицы являются различными возбужденными состояниями струн. Различные колебательные состояния струн интерпретируются как различные элементарные частицы.
Так же, было определено, что струны могут быть открытыми (с концами) или замкнутыми (кольцевыми). Открытые струны связаны с калибровочными полями, а замкнутые — с гравитацией.
Суперсимметрия
В конце 1970-х годов была введена суперсимметрия, гипотетическая симметрия между фермионами (частицами материи) и бозонами (частицами взаимодействий). Эта концепция расширила теорию струн, добавив супералгебру Пуанкаре, таким образом спровоцировав развитие не только в физике, но и в математике.
Что такое супералгебра Пуанкаре?
супер-алгебра Пуанкаре представляет собой Z₂-градуированное векторное пространство с градуированной скобкой Ли, такое, что четная часть является алгеброй Ли, содержащей алгебру Пуанкаре, а нечетная часть построена из спиноров, для которых существует антикоммутационное отношение со значениями в четной части
Суперсимметрия позволила создать суперструнные теории, которые объединили фермионы и бозоны в рамках единой теоретической структуры. Это позволило устранить некоторые теоретические проблемы, такие как наличие тахионов (гипотетических частиц, движущихся быстрее света) в ранних версиях теории струн.
Суперсимметрия также нашла применение в квантовой теории поля, приводя к созданию супермногократных теорий (теорий, содержащих суперсимметричные мультиплеты).
Пять суперструнных теорий (1980-е годы)
К середине 1980-х было разработано пять различных суперструнных теорий: тип I, тип IIA, тип IIB, гетеротическая SO(32) и гетеротическая E8×E8. Поскольку о них я уже рассказывал в предыдущих статьях, не буду заострять на этом внимание.
Ниже представлены статьи о теории струн, где можно прочесть об этом.
Обнаружение дуальностей в 1990-х гг. между различными суперструнными теориями показало, что они могут быть взаимосвязаны и описывать одну и ту же физику.
В 1995 году Эдвард Виттен предложил, что все пять теорий струн и одиннадцатимерная супергравитация могут быть объединены в единую теорию, названную М-теорией.
Эдвард Виттен - один из основателей М-теории, предложил объединение суперструнных теорий. исследователь в области теории струн, квантовой гравитации, суперсимметричных квантовых теорий поля и других областей математической физики.
1995 - настоящее время - Развитие М-теории
С революцией в теории струн 1995 года произошло включение в теорию многомерных объектов, называемых мембранами или брананами.
Так, М-теория включает в себя не только одномерные струны, но и более высокоразмерные объекты, называемые мембранами или брананами. Эти объекты могут иметь размерности от 0 до 9, и их динамика описывается расширением понятия струны.
Один из ключевых объектов в М-теории - D-брана. Это объект, на который могут прикрепляться открытые струны. D-браны играют важную роль в описании различных взаимодействий и конфигураций в теории струн.
Так же М-теория внесла свой вклад в понимание квантовой гравитации. М-теория считается одним из основных кандидатов на роль квантовой теории гравитации. Она объединяет общую теорию относительности и квантовую механику, пытаясь преодолеть противоречия между ними.
Одной из важных идей в М-теории является голографический принцип, согласно которому информация о пространстве-времени может быть закодирована на его границе. Это нашло применение в таких концепциях, как теорема АдС/КТП (анти-деситтер/конформная теория поля).
Ландшафт М-теории
М-теория допускает существование огромного числа возможных вакуумных состояний (метастабильных конфигураций), что создает проблему ландшафта. Каждое из этих состояний может описывать различные физические законы и константы, что усложняет поиск конкретного решения, описывающего нашу Вселенную.
Помимо этого, проблема ландшафта привела к обсуждению антропного принципа, который предполагает, что физические законы и константы могут принимать такие значения, которые допускают существование наблюдателей.
Ещё одним интересным моментом, касающимся ландшафта М-теории является идея мультивселенной. Идея мультивселенной предполагает, что наша Вселенная — лишь одна из множества возможных вселенных, каждая из которых соответствует различным вакуумным состояниям М-теории.
Примеры исследований и достижений:
AdS/CFT соответствие
Это соответствие предложено Хуаном Малдасеной в 1997 году, связывает гравитацию в анти-де Ситтеровском пространстве (AdS) с конформной теорией поля (CFT) на его границе. Это один из наиболее значимых результатов, проистекающих из М-теории.
Микроскопическая энтропия черных дыр
Использование М-теории для вычисления энтропии черных дыр через микроскопические состояния струн и бран, подтверждающее знаменитую формулу Бекенштейна-Хокинга.
Компактные измерения
Изучение свойств и последствий дополнительных измерений пространства-времени, включая их влияние на физические процессы.
Экспериментальные проверки
В настоящее время идут поиски экспериментального подтверждения М-теории, в частности в области космологии и физики высоких энергий.
Поиск космологических следов, которые могут подтвердить предсказания М-теории, включая изучение структуры ранней Вселенной и реликтового излучения.
Также, эксперименты на ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер (LHC), для поиска признаков существования дополнительных измерений и суперсимметричных частиц могут помочь в экспериментальной проверке предсказаний теории струн.
М-теория остаётся одним из наиболее перспективных направлений в теоретической физике, хотя её полная математическая формулировка и экспериментальная проверка ещё предстоят.