ТЕОРИЯ СТРУН
Тео́рия струн — направление теоретической физики, изучающее динамику взаимодействия объектов не как точечных частиц, а как одномерных протяжённых объектов, так называемых квантовых струн. Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации.
Теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10−35 м. Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностей квантовой теории поля, как перенормировка, а с другой стороны, приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени. Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано, связанных со струнными моделями строения адронов. Середина 1980-х и середина 1990-х ознаменовались бурным развитием теории струн, ожидалось, что в ближайшее время на основе теории струн будет сформулирована так называемая «единая теория», или «теория всего», поискам которой Эйнштейн безуспешно посвятил десятилетия. Но, несмотря на математическую строгость и целостность теории, пока не найдены варианты экспериментального подтверждения теории струн[2]. Возникшая для описания адронной физики, но не вполне подошедшая для этого, теория оказалась своего рода экспериментом в вакууме.
Одна из основных проблем при попытке описать процедуру редукции струнных теорий из размерности 26 или 10 в низкоэнергетическую физику размерности 4 заключается в большом количестве вариантов компактификаций дополнительных измерений на многообразия Калаби — Яу и на орбифолды, которые, вероятно, являются частными предельными случаями пространств Калаби — Яу. Большое число возможных решений с конца 1970-х и начала 1980-х годов создало проблему, известную под названием «проблема ландшафта», в связи с чем некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли теория струн статуса научной.
Несмотря на эти трудности, разработка теории струн стимулировала развитие математических формализмов, в основном — алгебраической и дифференциальной геометрии, топологии, а также позволила глубже понять структуру предшествующих ей теорий квантовой гравитации. Развитие теории струн продолжается, и есть надежда, что недостающие элементы струнных теорий и соответствующие феномены будут найдены в ближайшем будущем, в том числе в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере.
Если бы существовал явный механизм экстраполяции струн в низкоэнергетическую физику, то теория струн представила бы нам все фундаментальные частицы и их взаимодействия в виде ограничений на спектры возбуждений нелокальных одномерных объектов. Таким образом возможно было охарактеризовать материю и свойство материи, которая поддаётся аппроксимации. Характерные размеры компактифицированных струн чрезвычайно малы, порядка 10−33 см (порядка планковской длины)[a], поэтому они недоступны наблюдению в эксперименте. Аналогично колебаниям струн музыкальных инструментов спектральные составляющие струн возможны только для определённых частот (квантовых амплитуд). Чем больше частота, тем больше энергия, накопленная в таком колебании, и, в соответствии с формулой E=mc², тем больше масса частицы, в роли которой проявляет себя колеблющаяся струна в наблюдаемом мире. Параметром, аналогичным частоте для осциллятора, для струны является квадрат массы.
-Теория струн — один из самых популярных и непонятных физических терминов. О том, что это такое, РБК Трендам рассказал физик Эмиль Ахмедов
Об эксперте: Эмиль Ахмедов, доктор физико-математических наук, исследователь в ИТЭФ, МФТИ и НИУ ВШЭ.
Почему обычное представление о частицах не совсем верно
Многие из нас, услышав словосочетание «элементарные частицы», представляют маленькие крупинки или шарики. При этом может казаться, что все объекты во Вселенной складывается из этих крупинок, как монолиты. Однако любые представления необходимо проверять независимым способом, и ученые после ряда экспериментов пришли к мнению, что элементарные частицы не всегда корректно представлять материальными точками. Это только математическая идеализация, которая подходит для описания определенного класса наблюдений. То есть не во всех экспериментах элементарные частицы похожи на какие-то маленькие шарики. Например, при достаточно высоких энергиях они иногда ведут себя, как волны. Кроме того, исследователи поняли, что их длина связана с переносимой ими энергией: чем выше энергия, тем короче длина волны.
Частицы действительно выглядят как струны?
Заряженные частицы получают в ускорителе частиц. Чем больше становится энергия частиц при столкновении в нем, тем значительнее уменьшаются расстояния, которые мы можем на нем «прощупать». На ускорителях физики и проверяют свои умозрительные заключения. Теория струн предсказывает, что если провести эксперимент при еще более высоких энергиях (намного больше, чем те огромные энергии, что реализуются на современных коллайдерах), то каждая элементарная частица будет вести себя как двумерная вселенная, которая в заданный момент времени похожа на струну или очень тонкую резинку. И только с больших расстояний такая струна выглядит, как точка.
Согласно теории струн, в каждой одномерной вселенной (внутри каждой отдельной элементарной частицы) живет один и тот же мир. Но разные состояния теории отвечают разным типам элементарных частиц. Ситуация аналогична той, что возникает в случае с гитарной струной: если ее дернуть, возникнет стоячая волна.
Тогда первая мода (когда между зажимами умещается одна полуволна) может отвечать, например, фотону. А вторая (когда между зажимами умещается две полуволны или целая длина волны) может отвечать какой-то другой элементарной частице: например, электрону. При этом стоит подчеркнуть, что теория струн пока не подтверждена экспериментально.
Как появилась теория струн
Ученые наблюдали за столкновениями частиц на ускорителях и заметили, что в результате реакций возникали целые семьи частиц. Все выглядело так, будто различные разные частицы внутри одной семьи вели себя, как различные гармоники струны. Одним из первых придал этому наблюдению математическую форму итальянский физик Габриэле Венециано. Тогда, в 1960-х годах, исследователи пытались найти теорию, которая бы точно предсказывала спектр масс частиц в обсуждаемых семьях. К сожалению, полного сходства с реальностью не получалось.
Однако ученые заметили, что в спектре струны возникали частицы, которые имели те же свойства, что и фотоны (в случае открытой струны), и гравитоны (в случае замкнутой струны). Так и возникла идея попробовать применить создаваемую теорию для описания гравитации и других фундаментальных теорий, а не к описанию поведения адронов — частиц, возникающих в ядерных реакциях. Здесь основной вклад внесли такие физики как Джон Шварц, Эдвард Виттен, Жоэль Шерк и Александр Поляков.
