Теория суперструн популярным языком для чайников

[править] Рождение M-теории

Двумерная проекция трехмерной визуализации пространства Калаби-Яу

Окрыленные новыми успехами, физики ринулись в бой, но скоро опять стали раздаваться возгласы: «WTF?». Основным успехом явилось то, что физикам удалось (по крайней мере, на бумаге) установить общий вид шести свернутых измерений, необходимый для того, чтобы наш мир при этом оставался таким, какой он есть. Оказалось, что этот вид соответствует некоторым математическим объектам из группы под названием «Многообразия Яу» (названа по имени развеселого и улыбчивого китайского математика по фамилии Яу, описавшего ее). Главный фейл — то, что хотя общий вид этих объектов и вычислили, но точный вид, как оказалось, нельзя установить без эксперимента. Без нахождения точного вида пространства Калаби-Яу нашей Вселенной вся теория струн скатывалась практически в гадание на кофейной гуще.

Впрочем, работы продолжались, и постепенно физикам удалось вычленить из общей массы гипотез пять более-менее правдоподобных теорий, которые могли бы описать нашу Вселенную. Причём, все они ра́вно претендовали на звание единственно верной и при этом выглядели несовместимыми между собой. Ситуация сложилась вообще аховая — теперь теорий стало больше, чем надо, и это было нехорошо. Авторитет теории струн падал, дальнейшие направления для исследований не виделись, учёные пинали хуи целыми месяцами и потихоньку начали тухнуть.

Но в середине девяностых годов прошлого века произошла так называемая вторая революция в теории струн. Неизвестно, чем и куда упоролись физики, но путём фатальных разрывов мозга один из них родил гипотезу, что десять измерений — это, конечно, хорошо, но всё выглядит так, будто чего-то не хватаэ. «Пусть будет одиннадцать измерений!» — вдохновенно изрек светлый ум, и физики просветлились.

Оказалось, что введение ещё одного измерения со скрипом, но укладывается в ложе квантовой теории и ОТО, и более того — снимает очень многие накопившиеся проблемы в теории струн. В том числе успешно скрещивает все пять недотеорий в одну-единственную убертеорию. Вот её-то и назвали без фантазии M-теорией, и именно она на сегодня является высшим достижением матанщиков в деле познания Вселенной.

мембраныпринципиально ненаблюдаемы

[править] Вины

Mузыкальное произведение, популяризирующее теорию струн и демонстрирующее какие проблемы привели к её появлению

Ясен пень, что никто не стал бы мучиться с этой вашей непонятной теорией, если бы она не обладала большими плюсами в глазах физиков. И таковые действительно есть, причём какие!

1. Прекращение борьбы бобра с ослом. На протяжении ХХ века бобро в лице ОТО и осло в лице квантовой механики цапались друг с другом, причиняя неистовый butthurt физикам. Как написано выше, теория струн нашла способ их помирить — не без обработки напильником, конечно, но осло по крайней мере перестало люто стремиться уничтожить бобро.
2. Избавление от сингулярности. За что физики особенно благодарны теории струн — это за то, что ей в определённом смысле удалось укротить такое чудовище, как сингулярность, то есть возникающую по уравнениям ОТО бесконечную кривизну пространства-времени в экстремальных условиях (например, в чёрных дырах или во время Большого взрыва). Теория струн утверждает, что никакой сингулярности не будет, ибо вся Вселенная имеет минимальный размер сжатия (так называемый планковский размер), после которого она автоматически «вывернется наизнанку» и вновь начнёт расширяться. Точнее, продолжит сжиматься, но со стороны это будет выглядеть как расширение.
3. Шанс стать Единой теорией. Если удастся довести работы над теорией до конца и вывести непротиворечивую теорию, то она будет претендовать на звание Единой теории всего, ибо будет включать в себя все известные на сегодняшний день виды взаимодействий во Вселенной, включая даже злополучную гравитацию, которую до сих пор не удавалось никуда впихнуть. Физики полагают, что это одна из конечных целей физики как науки.

[править] Фейлы и трудности

M-теория таки идёт к успеху, но пока ещё не пришла, и у неё много своих проблем, при упоминании которых физики прикладывают руку к лицу.

1. Сверхсложная высокость. Уравнения теории струн (и уж тем более её последнего релиза — M-теории) настолько сложны, что физики большей частью оперируют только их приближёнными формами. Что, конечно, не ведёт к повышению точности результатов. Более того, часто складывается такая ситуация, что для решения этих уравнений даже соответствующих математических методов-то не создано, и приходится придумывать всё на лету. Ёбаный стыд. Только этот стыд, собсно, не к самой теории струн, а к нынешнему состоянию математики. Уж пару веков старая добрая ньютоновская небесная механика (никаких вам струн) поставила общую задачу трех тел, а фиг ли толку? Или вот уравнения Навье — Стокса для турбулентных потоков — старая добрая классическая гидродинамика, двести лет отроду. За доказательство существования и гладкости решения (даже не за само решение!) дают миллион американских рублей. Что символизирует.

Практически везде, где физика уперлась в тупик, на самом деле в тупик уперлась математика. И в теории струн — тем более, ибо она там сложнее, чем где бы то ни было. И эта проблема служит источником двух других.

1. Элементарные частицы, дополнительные измерения и некто Карл Поппер. Десятимерная теория струн на более привычных масштабах должна, естественно, сводиться к известной и ОЧЕНЬ хорошо проверенной физике элементарных частиц. Но, как выясняется, способов такого сведения существует по меньшей мере , хотя не исключено, что и , а то и вовсе бесконечность. При этом каждая из получившихся четырёхмерных теорий описывает свой собственный мир, который может быть похож на реальность, а может и принципиально отличаться от нее. Проблема здесь в том, что свойства частиц считаются способом колебания струн, а возможные способы колебания струн зависят от точной геометрии дополнительных измерений. Но существующим приближенным уравнениям удовлетворяет туева хуча разных геометрий. То есть эти уравнения были бы справедливы не только в нашем мире, но и в туевой хуче других миров, а возможно — в любом мире. Будь эти приближенные уравнения окончательными, это был бы тотальный экстерминатус в связи с нефальсифицируемостью по Попперу, то есть признаком ненаучности теории. А так — хвост пистолетом и искать точные уравнения.

[править] Откуда струны суть пошли

Дело было примерно так

Струны. Этот недотраханный мир

Новый майндфак начался в 1968 году, когда физики ВНЕЗАПНО заметили, что математическая функция, которая называется бета-функция Эйлера, идеально описывает свойства частиц, которые участвуют в так называемом сильном взаимодействии — одном из четырёх фундаментальных взаимодействий во Вселенной. Все кинулись проверять и перепроверять, и подтвердили — таки да, бета-функция Эйлера замечательно подходит для описания ситуации. Цимес был в том, что тащемта эта функция была исследована ещё в те времена, когда самого Эйнштейна и в проекте не было, и применялась (барабанная дробь) в описании колебаний натянутых струн. И тут физиков осенило, да так, что потомки до сих пор расхлёбывают: «А что, если элементарные частицы вовсе и не частицы, а микроскопические тончайшие струны, а то, что мы наблюдаем в своих приборах — это не траектория движения частицы, а траектория колебания, проходящего по этой струне?».

Сначала вроде как был достигнут полный вин. Первые же исследования показали, что теория струн достигает значительных успехов в описании наблюдаемых явлений. Оказалось, что теория струн замечательно может свести все четыре фундаментальных взаимодействия Вселенной к одному — колебанию одномерной струны с соответствующим переносом энергии. Особенно яростный флюродрос физиков на теорию струн вызвало то, что она позволяет объяснить основные константы микромира с математической точки зрения. Становилось понятно, почему, например, массы элементарных частиц именно такие, какие есть, а не какие-то там другие. Если учёные раньше могли лишь разводить на подобного рода вопросы руками, отвечая: «Так надо», «ПНХ», или, в худшем случае, «Так хотел Б-г», то теперь появилась реальная возможность проникнуть в глубинную структуру Вселенной.

Кроме того, теория струн давала надежду на чудо — объединение ОТО и квантовой механики в рамках одной теории. При расчётах ВНЕЗАПНО выяснилось, что собственные колебания этих ваших струн способны гасить и уравновешивать квантовые флуктуации — да-да, устранять те самые возмущения на микроскопическом уровне, из-за которых ОТО и квантовая механика никак не хотели возлюбить друг друга. Вот это уже был не просто вин, а EPIC WIN!

Но в итоге учёных ждал былинный отказ. Дальнейшие исследования и проверки теории показали: авотхуй, ничего подобного. На первый взгляд вроде всё хорошо, но при глубоком изучении выявились серьёзные противоречия следствий теории с экспериментальными данными. Например, в теории струн обязательно присутствовала частица, тахион, квадрат массы которой был меньше нуля. Ну ты понел, да? У нее масса получалась мнимая.

«Жаль, красивая была идея», — вздохнули физики и выкинули новорожденную теорию струн на мороз.

Проблемы в Теории Струн

Но пока решаются одни несоответствия, в это время выявляются новые. И в 2003 году стало известно, что сворачивать эти 11 измерений в доступные нам 4, можно различными вариантами, а именно 10500 способами. Во всех возможных вариантах должна быть другая Вселенная, с другими физическими константами. И эта ситуация ещё не имеет окончательного решения. Вдобавок математическое описание Теории Струн очень сложное и объяснить её для чайников простым языком очень затруднительно. Учёные сами с трудом разбираются в ней и для некоторых новейших концепций Теории Струн ещё нет математических методов. Следовательно всё надобно выдумывать с нуля.

Теория Струн и Большой Адронный Коллайдер
Но, пожалуй, огромнейшая трудность Теории Струн — неимение экспериментальных подтверждений. Когда-то возлагали огромные надежды на Большой Андронный Коллайдер (БАК) и экспериментальное доказательство на нём. Однако никакие эксперименты не завершились успешно, но всё же лучшие умы всей планеты пытаются двигаться в этом направлении и разрешать противоречия, которые появляются на пути. Всё-таки очень заманчивая эта теория, объясняющая ВСЁ!

Описание Теории Струн простым языком

Сначала давайте определимся, как построены теории в науке. Все они — математическая модель, описывающая мир с некоторой погрешностью. Чем-то это схоже на живописца, изображающего натюрморт. Ему под силу нарисовать только главные черты: цвет, форму, объем, и не под силу изобразить более тонкие детали. И также, как один объект можно изобразить по-разному, также и для какого-то явления в физике можно выдумать разные научные теории.
Удивительно, но настоящие тела в теориях могут иметь сходство с чем угодно: шарики, стрелочки, палочки. А ведь согласитесь, что это не так значимо, если теория даст высокоточные результаты и правильные предположения. Сегодня имеют значимое место две очень глобальные высокоточные теории. Общая Теория Относительности (ОТО), объясняющая природу гравитации и Квантовая Теория Поля (КТП), которая разъясняет взаимодействие частиц (объектов) в микромире. Но есть одно затруднение: ОТО хорошо работает на макро-расстояниях (больших расстояниях), а КТП, напротив, не работает на макро-расстояниях. И 2 эти чудо-теории, применяемые на одном расстоянии, конфликтуют друг с другом.

Теория Струн и Вселенная
Но внутренний голос человека утверждает, что наша реальность не должна быть так устроена. Ведь должна быть теория, работающая одинаково хорошо на всех расстояниях (масштабах). Это и будет самое достоверное описание Вселенной, самая подробная картина нашего мира и реальности.
Самым современным из таких описаний является Теория Струн. Объяснить чайнику простым языком эту Теорию Струн можно так: в пространстве на микро-расстояниях, в 100 млрд млрд раз меньше протона, рождаются вибрации поля, стоячие волны, очень схожие на вибрации обычный струны.
Эти струны содержат в себе какую-то энергию и эквивалентную массе по известной формуле E = mc2 и соответствует частице с такой массой. Но это попросту математическая модель, отлично описывающая взаимодействие микрочастиц, поясняет почему они имеют такие массы, а также объясняет почему константы в физике имеют именно такие значения.

[править] См. также

• Теория относительности
• Квантовая механика
• Я нихуя не понял (в данном конкретном случае это практически не стыдно).
• Большой взрыв
• Теория большого взрыва (сериал)

[править] Суперсимметрия, все дела

Ученые нашли в уравнениях теории хэш-коды. Матрица?

Однако упоротые фанаты теории струн так просто не собирались сдаваться. В 1971 году была создана обновлённая теория струн, уже под названием «теория суперструн». Обновление заключалось в том, что если первый вариант теории включал в себя описание только бозонов, то теория суперструн схавала ещё и фермионы. Тут нужно остановиться и уяснить подробнее.

Демонстрация полуцелого спина на примере кофе

Все элементарные частицы обладают такой характеристикой, как спин. Школьники могут вообразить это себе как скорость вращения частицы вокруг собственной оси (подобно тому, как Земля вертится вокруг себя, сменяя день и ночь). Хотя на самом деле спин показывает как бы крутилась частица, если бы крутилась, причем по расчетам скорость ее оборота превышает световую и при всем прочем создает магнитное поле. Имеется и другой вариант объяснения сути спина «на пальцах», не менее, впрочем, майндфачный в итоге: спин — это количество оборотов вокруг своей оси, которые надо сделать частице, чтобы выглядеть так же, как вначале. И если для спинов в пределах единицы все вроде понятно (любому предмету неправильной формы можно приписать «спин», равный единице), то при попытке представить себе форму объекта, который надо прокрутить вокруг оси дважды, чтобы он выглядел так же, как вначале, могут произойти необратимые изменения в коре головного мозга или замещающего органа. Чтобы уменьшить градус майндфака, попробуйте повернуть на 360 градусов чашку кофе, стоящую на ладони. Получилось то же, с чего начали? Ощущения в руке вам подскажут, что не совсем то. А вот если… впрочем, гляньте-ка лучше видео. Элементарные частицы могут иметь только полуцелый или целочисленный спины — 1/2, 1, 3/2, 2 и т. д. Бозонами называются те частицы, которые имеют целочисленный спин. Фермионы — те, у кого спин полуцелый. Так вот, первая версия теории струн описывала только бозоны, что было ещё одной из причин, по которым она до сих пор стоит на морозе. Обновлённый вариант теории струн включал в себя и фермионы, и тут все поняли, что при таком подходе проблема ненужных тахионов, как и множество других противоречий, исчезает! EPIC WIN ещё раз!

Но, как всегда, не обошлось без проблем. Новая теория струн не только заставила всех просветлиться, но и вбросила говна на вентилятор: по ней получалось, что для каждого бозона должен существовать соответствующий фермион, то есть между бозонами и фермионами должна существовать определённая симметрия. Такой вид симметрии предсказывался и раньше — под названием «суперсимметрия». Фейл заключался в том, что никто и никогда не наблюдал эти самые суперсимметричные фермионы. Объяснение тому нашли простое: по расчётам, суперсимметричные фермионы должны обладать огромной для микромира массой, и потому в обычных условиях их хрен получишь. Для того, чтобы зарегистрировать их, нужны огромные энергии, которые достигаются при столкновении лёгких частиц на почти световых скоростях.

Физики, осознав, в какой жопе они оказались, стали плакаться в жилетку всем, кому ни попадя, и причитать «бида-бида, канец науке». Неизвестно, кому они продали душу, но в итоге им удалось разжалобить больших дядь на серьёзные бабки для строительства Большого адронного коллайдера и пары коллайдеров поменьше. Да-да, именно так, Анон — одной из целей воздвижения этой НЁХ было именно получение суперсимметричных фермионов.

Локализация

В этом случае дополнительные измерения не такие и маленькие, но почему-то все частицы нашей реальности локализовались на поверхности четырёхмерной в многомерной Вселенной. Уйти с этой поверхности они не могут. Такая поверхность (лист) именуется брана, и она – часть наблюдаемой Вселенной. Но и все мы, и то, что нас окружает, составлено из частиц, поэтому нам не удаётся взглянуть вы другие измерения. Только гравитация может поспособствовать увидеть дополнительные измерения. Так как она – следствие искривленного пространства-времени, и не зациклена на бране, то и гравитоны (если они существуют) должны «выходить» в другие измерения. Видимостью этого процесса станет неожиданное пропадание энергии,  унесенных такими частицами.

Теория струн простыми словами

Теория струн предполагает, что маленькие струны размером с планковскую длину являются элементарными объектами, а не элементарными частицами. Все элементарные частицы могут быть описаны, как струны с различными квантовыми состояниями.

Существует довольно известная аналогия этих теоретических струн со струнами скрипки. Поскольку разные колебания струны на скрипке производят разные ноты, аналогичным образом разные квантовые состояния струны порождают все возможные элементарные частицы, будь то электрон, кварк или глюон.

В более широком масштабе вы не видите струны, они выглядят как элементарные частицы, с которыми мы хорошо знакомы.

Вы можете спросить, из чего состоят эти строки. Ну, они не сделаны из ничего, но они сами делают все.

Например, в стандартной модели стул состоит из дерева, которое, в свою очередь, состоит из разных молекул, которые сами состоят из разных атомов, состоящих из электронов, протонов (из кварков) и нейтронов (также образованных из кварков).

Но что эти кварки и электроны имеют в своем окончательном распаде? Ничего, потому что они являются конечным продуктом распада.

Итак, как же одномерный элементарный объект продвигается над точечными частицами? Видите ли, кроме своих квантовых состояний, эти строки также имеют длину.

Таким образом, эти строки могут иметь несколько аранжировок, например, они могут быть «открытыми» или «закрытыми». Открытые строки могут соединяться с одним концом и формировать новую открытую строку, или две открытые строки могут объединяться и образовывать закрытую строку.

Интуитивно понятно, что эти струны должны иметь некоторое «напряжение». Это напряжение вызывает различные виды вибрации и порождает все формы элементарных частиц.

Самая ошеломляющая особенность теории струн — это ее дополнительные размеры. Мы живем в четырехмерном мире с тремя пространственными и одним временным измерением.

История теории струн

История теории струн начинается с теории Калуцы-Клейна, которая пыталась объединить гравитацию и электромагнетизм.

Согласно теории Калуца-Клейна в 1921 году было предложено четыре, а не три пространственных измерения. Одно из этих измерений не бесконечно расширено, а свернуто само по себе, явление, называемое компактификацией.

Кроме того, в этом 4-мерном мире есть только гравитация, и нет электромагнетизма. Это предложение с помощью расчетов показало, что гравитон (носитель силы гравитации), частица со спином 2, распадается на частицу со спином 1 в трехмерном мире.

Таким образом, теория объясняет объединение электромагнетизма и гравитации. Если представить проволоку или палочку, которая была сделана настолько маленькой, что вы не можете воспринимать ее ширину.

Вы просто испытаете одно измерение, а другие будут скрыты или компактифицированы.

Теория Калуцы-Кляйна не стала популярной, потому что принятое ею понятие квантовой гравитации казалось слишком странным для научного сообщества.

Однако 70-е годы были десятилетием теории струн. Джеффри Чу, Леонард Сусскинд, К. Шмид и другие разработали теорию струн для объяснения «адронов». Габриэле Венециано был еще одним крупным автором, которому приписывают развитие теории струн.

Большой толчок теория струн получила с гипотезой «Янга-Миллса». Эта новая теория пыталась объединить все фундаментальные силы, кроме гравитации. Эта попытка была названа «великим объединением».

Теория струн бросает вызов основному подходу и дает нам потрясающую новую перспективу увидеть реальность.

Физики объясняли наблюдаемую вселенную законами движения Галилея. Ньютон добавил к своему арсеналу гравитационную силу, и все стало более понятным.

Затем появились электрические и магнитные силы, которые объяснялись законами Кулона и Ампера. Максвелл сделал большой прорыв, когда он объединил электрические и магнитные силы в электромагнетизм.

Он даже объяснил носителя силы, которыми являются фотоны. Но мы все еще не знаем о силе гравитации.

Эйнштейн был первым, кто продвинулся в этом направлении благодаря своей теории специальной и общей теории относительности. Он пытался объяснить гравитацию исключительно с точки зрения геометрии.

Но мир науки был полностью перевернут с ног на голову Гейзенбергом и другими, когда они добавили наиболее существенную главу квантовой физики. До этого момента классическая модель и электромагнетизм проделали большую работу, объясняя феномен и взаимодействия на макроскопическом уровне.

Квантовая физика теперь позволила физикам объяснить и микроскопический мир. Позже, слабые и сильные ядерные силы были обнаружены, и мы получили наши четыре фундаментальные силы.

Сначала были обнаружены молекулы, которые долго удерживали место «фундаментальной частицы». Затем была очередь атома. Позже электроны, протоны и нейтроны.

На данный момент рассматривают бозоны (например, глюоны, хиггсы) и фермионы (например, кварки, лептоны), как элементарные частицы. Эти фундаментальные частицы и их взаимодействие друг с другом довольно точно иллюстрировали природу реальности, за исключением гравитации.