Теория струн. Зачем она?

Давным-давно, когда я нарисовала предыдущий пост на тему теоретической физики, большинство комментаторов выразило желание прочитать нечто похожее и про теорию струн (М-теорию). Что ж, данный пост будет как раз про это: что такое теория струн, с чем её едят, зачем она вообще нужна, кто придумал и к чему привела. Здесь не будут рассматриваться все достоинства и недостатки, обоснования и глубокая математика (хотя, скорее, геометрия), только самое основное.

15 картинок via alice9tails

Для начала парочка замечаний:

1) «Теория струн» в первоначальном виде сама по себе уже устарела и сейчас это название закрепилось не за первоначальной теорией, а за целым семейством – собственно теория струн, теория суперструн и М-теория. Так что да, правильнее называть «семейство струнных теорий». Но всем пофиг.

2) Теория струн хоть и имеет отношение к физике, но в основном пока что это больше абстрактная математическая теория, серьёзно продвинувшая математический и геометрический (топологический) анализ. Не ждите значительных результатов в именно физике. По крайней мере, пока.

Прежде всего, надо сказать немного о том, как наши (и не только наши) шибкомозговитые физики вообще додумались до «подобного бреда» и почему всё пришло именно к нему. Дело в так называемой Стандартной модели элементарных частиц. В физике сие есть давно и всеми принятая классификация элементарных частиц, их видов и правил взаимодействий. Если у кого-то возникает вопрос о том, как в атомном ядре нейтрон «превращается» в протон и обратно, или, например, как распадается омега-гиперон, то этот кто-то смотрит в Стандартную модель и получает ответ. Если кто-то решает посмотреть кварковый состав К-мезона, он опять идёт туда же в Википедию к Стандартной модели и высматривает необходимые сведения.

Проблема Стандартной модели в основном состоит в двух связанных аспектах:

1) В ней слишком дохрена (20) так называемых «свободных параметров», то есть чисел, которые физики обосновать могут только фразами а-ля «так решил Ктулху». Никто не может сказать, например, почему у постоянной Планка именно такое значение.

2) Далеко не все частицы, описанные в модели, не являются «элементарными» (то есть не состоящими из чего-то ещё) вплоть до кварков/глюонов и не ведут себя как «элементарные». То есть, например, протон/нейтрон/прочие барионы состоят из кварков+глюонов, а сами кварки/глюоны внутри более сложных частиц ведут себя так, как будто либо имеют сложную внутреннюю структуру, либо являются «состояниями»/разновидностями чего-то ещё (например, превращаются друг в друга).
Таким образом, Стандартная модель элементарных частиц хоть и работает, но в качестве теории, объясняющей внутреннюю природу частиц, не подходит. А количество видов самих частиц и правил их взаимодействий столько, что требовалась хоть какая-то теория, объясняющая кто виноват и что делать.


Второй предпосылкой появления новой теории являлась функция, описывающая взаимодействия частиц при столкновениях. Вот такая:

А график её для действительных чисел в качестве аргументов:

Функция сама по себе довольно примечательная, описана была в своё время математиком Эйлером и названа в его честь бета-функцией Эйлера. Или просто бета-функцией.

Цимес в том, что функция сия была изначально применена для описания колебания гитарных струн и ни о каких взаимодействиях элементарных частиц на тот момент Эйлер не задумывался. По факту получалось, что частицы взаимодействую так, как будто они и не частицы вовсе, а лишь «пакеты» колебаний, волны, распространяющиеся по неким одномерным объектам «струнам», которые «на самом деле» и являются той элементарной, основной формой материи, столь долго искомой физиками.

Физики ухватились за новую идею как изголодавшаяся собака за сахарную косточку. Ведь это сулило прорыв покруче того, что в своё время устроила теория относительности вместе со своим автором: если «струны» являются основой, а частицы – лишь «колебания», то разнообразные свойства частиц можно было бы объяснить просто разными характеристиками колебаний одного и того же объекта – струны. Ведь колебания могут выглядеть очень-очень по-разному («создавать» разные виды частиц) и иметь очень много характерных свойств (осуществлять разные виды взаимодействий). Естественно, это всё предстояло проверить…

Понятное дело, что для проверки у физиков есть столетиями отработанный механизм: создаём мат. модель в рамках теории, чтобы описывала наблюдаемое и предполагаемое. Потом пытаемся найти что-то новое, что эта модель предсказывает.

Вот тут вылезла проблемка: математическое моделирование струнных теорий упёрлось в неразвитость математики как науки. Да, представьте себе, аналитических методов математики оказалось недостаточно. Пришлось подключать соответствующих головастых мужиков. Не только чисто математиков, но и геометров. Последних – в большей гораздо части. А уж они-то такого напридумывали…


Что имеем на сегодняшний день: струнные теории отлично способны описать происхождение всех элементарных частиц, полей и взаимодействий. Причём делают они это геометрическим способом: введение дополнительных измерений (ещё 6) позволило «свести» все виды взаимодействий (электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное) в один вид. Мало того, теории могли «снять» проблему сингулярности и «потери информации» в чёрных дырах, с которой не справилась теория относительности, они до кучи объяснили все виды наблюдающихся симметрий в элементарных частицах и нарушения этих симметрий.

Самое главное достижение – струнные теории действительно способны объяснить константы микромира (например, значение элементарного заряда) с точки зрения геометрии, то есть без «свободных параметров». Но тут косяк.

Огроменный такой косячище.

Нет, не такой. Ещё больше. Всё та же математика. Дело в том, что струнные теории (М-теория, если точнее) могут всё вышеперечисленное. Могут, но пока не делают. А вот для того, чтобы сделали, надо... ни много ни мало, а найти вид конкретной свёртки дополнительных 6 измерений, соответствующий нашей вселенной.

«Мы ведь почему не наблюдаем эти дополнительные 6 измерений? – спрашивают сами себя физики. - Потому что они свёрнуты на очень-очень малом масштабе!»

Ещё меньше!

Не, ну серьёзно. 10^(-35) метров!

Что значит свёрнуты? Это несложно. Представьте себе бесконечный лист бумаги. Простой плоский, скучный. Вы можете по нему ходить вправо-влево, взад-вперёд сколько угодно.

А теперь тот же лист обрежем, свернём бубликом и склеим края, вот так:

Допустим, Вы всё ещё можете ходить по его поверхности. Хоть весь день, хоть всю жизнь, хоть дольше. В любом случае, как бы долго вы не ходили, с одной стороны Вы останетесь в пределах довольно ограниченной области пространства, а с другой – намотаете ровно столько километров, сколько решили намотать. В данном случае бублик – свёрнутое измерение.

Другой пример – сфера, поверхность нашей матушки-Земли. Ходите/плавайте сколь угодно долго, но Вы всё равно останетесь на её поверхности. Правда, устанете.

Фигня в том, что свёртка измерений, предсказываемая в рамках М-теории, далеко не так проста и выглядит не как сфера или бублик, а как один из вариантов так называемых конфигураций Калаби-Яу. Так:

Или так:

Или…

Вариантов – 10^500. И каждый соответствует своей возможной вселенной. Какой именно наш – пока что хрен знает.

А может и не знает. Но для дальнейшего использования всего семейства теорий струн конкретный вариант всё-таки надо найти.

Над этим и трудятся наши мозговитые геометры с математиками уже которое десятилетие. Не сказать, чтобы они стали близки к итогу, но продвинулись весьма значительно, попутно изобретя и накопав столько всего, что хватило аж на несколько отдельных отраслей науки: собственно геометрия высших пространств, топологический анализ, теория алгоритмов и кое-чего ещё, покруче. Основная проблема, правда, всё ещё остаётся: заумность выбранной области науки такова, что даже исследование подходов для её исследования далеко не простое. А уж придуманные даже на данный момент инструменты порой бьют по мозгам не хуже хорошего паровоза. Одно пространственное расслоение чего стоит.


Подводя итог:

Семейство струнных теорий замахнулось на примерно то же, что в своё время сделала теория относительности с гравитацией и релятивизмом – геометрическое обоснование природы элементарных частиц. Без свободных параметров (или с очень малым их количеством).

Струнные теории способны объяснить все виды наблюдаемых частиц и взаимодействий. Фактически может получиться теория вообще всего.

Так же они (возможно) способны объяснить природу и структуру пространства-времени как такового (что, собственно, проистекает из геометрического подхода).

Сама по себе разработка этих теорий очень сильно подтолкнула сопряжённые науки. Как ни странно, огромная сложность так же способствовала развитию альтернативных теорий, как не опирающихся на геометрию вообще, так и использующих совершенно иные подходы, но в рамках той же геометрии.

Благодаря этому пресловутому семейству появились даже такие теории, которые рассматривают вселенную как фрактальную структуру бесконечной вложенности (можно найти сколь угодно малые «частицы», которые тоже делятся на что-то).


Это главные достижения всего семейства. Естественно, у каждой теории есть недочёты и недостатки, а большую часть из них я тут вообще не упомянула. Но в данном посте такая задача и не ставилась.На этом всё.

Ну теперь, точно все,спасибо,что не сломали, расслабьте напряженные мозги(если кто напрягал), пятница вроде.

Это сообщение отредактировал raven1976 - 21.06.2019 - 14:28

Меня походу ещё дальше в детство надо отправить!
Если кто-то понял, отпишитесь пожалуйста. А я буду к пятничному вечеру готовится!
И это... Продолжение будет? Оч хочется узнать чем всё закончится!

Это сообщение отредактировал ehsimatsur - 21.06.2019 - 14:44

Я сам такой.

ну всё- перед женой выебнусь

Семейство струнных теорий замахнулось на примерно то же, что в своё время сделала теория относительности с гравитацией и релятивизмом – геометрическое обоснование природы элементарных частиц. Без свободных параметров (или с очень малым их количеством).

Надо спросить у него, может додумал чего?
Автора позеленил. Доходчиво написано.

Это сообщение отредактировал Dimon555 - 21.06.2019 - 14:34

Это многое проясняет...

Так. Пойду-ка я покурю. И перечитаю ещё раз.