Заметили ошибку в тексте?
Выделите её мышкой и
нажмите Ctrl + Enter

Альтернативный взгляд

«Альтернативная история, уфология, паранормальные явления, криптозоология, мистика, эзотерика, оккультизм, конспирология, наука, философия»

Мы не автоматический, тематический информационный агрегатор

Статей за 48 часов: 83

Сайт для здравомыслящих и разносторонне развитых людей


Очевидец: Если Вы стали очевидцем НЛО, с Вами произошёл мистический случай или Вы видели что-то необычное, то расскажите нам свою историю.
Автор / исследователь: У Вас есть интересные статьи, мысли, исследования? Публикуйте их у нас.
!!! Ждём Ваши материалы на e-mail: info@salik.biz или через форму обратной связи, а также Вы можете зарегистрироваться на сайте и размещать материалы на форуме или публиковать статьи сами (Как разместить статью).

Теория струн на пальцах
Среднее время прочтения:

Теория струн на пальцах

Часть 1

Единственная проблема — принять эту теорию как физическую, она слишком математична. Почему?

- Salik.biz

Потому что появлением своим обязана одной простой функции — бета-функции Эйлера на самом деле, не такой сложной, как с первого взгляда кажется. Эту функцию изучают в курсе математического анализа.

Так почему же именно эта функция явилась началом такой большой и запутанной теории?


Бета-функция Эйлера (График бета-функции при вещественных аргументах).Бета-функция Эйлера (График бета-функции при вещественных аргументах).

В 1968 году молодой итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано пытался описать, как взаимодействуют между собой частицы атомного ядра: протоны и нейтроны. У ученого появилась блестящая догадка. Он понял, что все многочисленные свойства частиц в атоме может описать одна математическая формула (бета-функция Эйлера). Она была придумана двести лет назад швейцарским математиком Леонардом Эйлером и описывала интегралы в математическом анализе.

Венециано использовал ее в своих расчетах, но не понимал, почему она работает в этой области физики. Физический смысл формулы смогли раскрыть в 1970 году американские ученые Йоиширо Намбу, Леонард Сасскинд, а также их датский коллега Хольгер Нильсен. Они предположили, что элементарные частицы — маленькие колеблющиеся одномерные струны, микроскопические нити энергии. Если эти струны являются такими крохотными, рассуждали исследователи, то они по-прежнему будут выглядеть как точечные частицы и, следовательно, не будут влиять на результаты экспериментов. Так и появилась теория струн.

С давних пор философы спорят о том, есть ли у Вселенной определённое происхождение или она существовала всегда. Общая теория относительности подразумевает конечность «жизни» Вселенной — расширяющаяся Вселенная должна была возникнуть в результате Большого взрыва.

Рекламное видео:


Однако, в самом начале Большого взрыва теория относительности не действовала, поскольку все происходившие в тот момент процессы носили квантовый характер. В теории струн, которая претендует на звание квантовой теории гравитации, вводится новая фундаментальная физическая постоянная — минимальный квант длины (т.е. наименьшая длина по сути). В результате старый сценарий Вселенной, рождённой в Большом взрыве, становится несостоятельным.

Пространство на квантовом уровне.Пространство на квантовом уровне.

Струны – это самые маленькие объекты во Вселенной.Размер струн сопоставим с планковской длиной (10^ –33 см). Согласно теории струн, это минимальная длина, которую может иметь объект во Вселенной.

Большой взрыв всё же имел место, но плотность материи в тот момент не была бесконечной, а Вселенная, возможно, существовала и до него. Симметрия теории струн предполагает, что у времени нет ни начала, ни конца. Вселенная могла возникнуть почти пустой и сформироваться к моменту Большого взрыва или пройти несколько циклов гибели и возрождения. В любом случае эпоха до Большого взрыва оказала огромное влияние на современный космос.

В нашей расширяющейся Вселенной галактики разбегаются, словно рассеивающаяся толпа. Они удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними: галактики, разделённые 500 млн. световых лет, разбегаются вдвое быстрее, чем галактики, разнесённые на 250 млн. световых лет. Таким образом, все наблюдаемые нами галактики должны были в момент Большого взрыва одновременно стартовать из одного и того же места. Это справедливо даже в том случае, если космическое расширение проходит периоды ускорения и замедления. На диаграммах пространства и времени галактики перемещаются по извилистым путям в наблюдаемую часть пространства и из неё (жёлтый клин). Однако пока точно неизвестно, что же происходило в тот момент, когда галактики (или их предшественники) начали разлетаться.

История Вселенной.История Вселенной.

В стандартной модели с Большим взрывом (на рисунке слева), основанной на общей теории относительности, расстояние между любыми двумя галактиками в определённый момент нашего прошлого равнялось нулю. До этого момента время не имеет смысла.

А в моделях, учитывающих квантовые эффекты (на рисунке справа), в момент старта любые две галактики были разделены некоторым минимальным расстоянием. Такие сценарии не исключают возможности существования Вселенной до Большого взрыва.


Часть 2

А теперь попробую рассказать, почему этих теорий так много: теории струн, суперструн, М-теории.

О каждой из теорий поподробнее:


Теория струн:

Как мы с вами уже знаем теория струн — это чисто математическая теория, которая гласит, что все в нашем мире (и не в нашем:) тоже) является следствием «колебаний» микроскопических объектов порядка планковской длины.

Возможно, вся материя состоит из струн.Возможно, вся материя состоит из струн.

По свойствам струна напоминает струну скрипки. Каждая струна может совершать огромное (на самом деле бесконечное) число различных колебаний, известных под названием резонансных колебаний. Это колебания, у которых расстояние между максимумами и минимумами одинаково, и между закреплёнными концами струны укладывается в точности целое число максимумов и минимумов. Например, человеческое ухо воспринимает резонансные колебания как различные музыкальные ноты. Схожие свойства имеют струны в теории струн. Они могут осуществлять резонансные колебания, в которых вдоль длины струн укладывается в точности целое число равномерно распределённых максимумов и минимумов. Точно так же, как различные моды (набор характерных для колебательной системы типов гармонических колебаний) резонансных колебаний скрипичных струн рождают различные музыкальные ноты, различные моды колебаний фундаментальных струн порождают различные массы и константы взаимодействия.

огласно специальной теории относительности энергия и масса (Е равно эм це квадрат:) представляют собой две стороны одной медали: чем больше энергия, тем больше масса и наоборот. А в соответствии с теорией струн, масса элементарной частицы определяется энергией колебания внутренней струны этой частицы. Внутренние струны более тяжёлых частиц совершают более интенсивные колебания, струны лёгких частиц колеблются менее интенсивно.

Что особенно важно, характеристики одной из мод колебаний струн в точности совпадают с характеристиками гравитона, гарантируя, что гравитация является неотъемлемой частью теории струн.

Я не хочу пока вдаваться в подробности про «геометрию» струн, скажу только что безмассовые частицы, которые могут быть фотонами, происходят из колебаний или открытых, или замкнутых струн. Гравитоны происходят только из колебаний замкнутых струн, или петель. Струны взаимодействуют между собой, образуя петли. Из этих петель возникают более крупные частицы (кварки, электроны). Масса этих частиц зависит от энергии, выделяемой петлей, когда та вибрирует.

В теории струн могут быть только две фундаментальные константы (в других теориях констант намного больше, даже самых фундаментальных. Например, Стандартная модель требует 26 констант). Одна, называемая натяжением струны, описывает, сколько энергии содержится на единицу длины струны. Другая, называемая струнной константой связи, есть число, означающее вероятность распада струны на две струны, соответственно вызывая силы; поскольку это вероятность, это просто число, без размерных единиц.

Теория суперструн:

Все, что нужно знать и понимать из этой фразы то, что эта теория является обобщенной теорией струн. В этой теории всё рассматривается с точки зрения суперсимметрии — … НО!

Перед тем, как перейти к обсуждению суперсимметрии, вспомним понятие спина. Спин — это собственный момент импульса, присущий каждой частице. Он измеряется в единицах постоянной Планка и бывает целым или полуцелым. Спин является исключительно квантовомеханическим свойством, его нельзя представить с классической точки зрения. Наивная попытка трактовать элементарные частицы как маленькие «шарики», а спин — как их вращение, противоречит специальной теории относительности, так как точки на поверхности шариков должны в таком случае двигаться быстрее света. Электроны обладают спином 1/2, фотоны — спином 1.

Суперсимметрия — это симметрия между частицами с целым и полуцелым спином.

Вкратце она заключается в построении теорий, уравнения которых не изменялись бы при преобразовании полей с целым спином в поля с полуцелым спином и наоборот. С тех пор были написаны тысячи статей, суперсимметризации были подвергнуты все модели квантовой теории поля, был разработан новый математический аппарат, позволяющий строить суперсимметричные теории.

Известные в природе частицы в соответствии с их спином подразделяются на бозоны (целый спин) и фермионы (полуцелый спин). Первые частицы являются переносчиками взаимодействий, например, фотон, который переносит электромагнитные взаимодействия, глюон, который переносит сильное ядерное взаимодействие, и гравитон, который переносит гравитационные силы. Из вторых же состоит материя, из которой мы сделаны, такая как электрон или кварк.

Фермионы (частицы, которые подчиняются статистике Ферми-Дирака) и бозоны (частицы, которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна) могут сосуществовать в одной и той же физической системе. Такая система будет обладать особым видом симметрии — так называемой суперсимметрией, отображающей бозоны в фермионы и наоборот. Для этого, конечно, требуется равное количество бозонов и фермионов, но условия существования суперсимметрии этим не ограничиваются. Суперсимметричные системы живут в суперпространстве. Суперпространство получается из обычного пространства-времени, когда к нему добавляются фермионные координаты. В суперпространственной формулировке преобразования суперсимметрии выглядят похожими на вращения и сдвиги в обычном пространстве. А живущие в нем частицы и поля представляются набором частиц или полей в обычном пространстве, причем таким набором, в котором строго фиксировано количественное соотношение бозонов и фермионов, равно как и некоторые их характеристики (в первую очередь спины). Входящие в такой набор частицы-поля называются суперпартнерами.

Итак, обычная теория струн описала лишь частицы, являвшиеся бозонами, потому она получила название «бозонная теория струн». Но она не описывала фермионы. Поэтому кварки и электроны, например, не были включены в бозонную теорию струн.

Но добавив к бозонной теории струн суперсимметрию, получили новую теорию, которая описывает как силы, так и материю, составляющую Вселенную. Она получила название «теория суперструн».

Существует три различные имеющие смысл теории суперструн, т.е. не имеющие математических несообразностей. В двух из них фундаментальным объектом является замкнутая струна, тогда как в третьей, строительным блоком является незамкнутая струна. Более того, смешав лучшие стороны бозонной теории струн и теории суперструн, получили последовательные теории струн — гетеротические теории струн.

Таким образом, суперструна — это суперсимметричная струна, то есть по-прежнему струна, но живущая не в обычном нашем пространстве, а в суперпространстве.

М-ТЕОРИЯ:

В середине 1980-х теоретики пришли к выводу, что суперсимметрия, являющаяся центральным звеном теории струн, может быть включена в неё не одним, а пятью различными способами, что приводит к пяти различным теориям: типа I, типов IIA и IIB, и две гетеротические струнные теории. Из соображений здравого смысла (не может действовать одновременно 2 варианта одного и того же физического закона) считалось, что только одна из них могла претендовать на роль «теории всего», причём та, которая при низких энергиях и компактифицированных (т.е. свернутых до размеров планковских длин.

Получается, что мы как раз и наблюдаем нашу 4-х мерную Вселенную без этих 6-ти измерений, которые мы просто-напросто не видим) шести дополнительных измерениях согласовывалась бы с реальными наблюдениями. Оставались открытыми вопросы о том, какая именно теория более адекватна и что делать с остальными четырьмя теориями.


Суть:

Если при этом размер компактного измерения окажется порядка размера струн (10 в -33 степени сантиметра), то мы из-за малости этого измерения попросту не сможем никак его напрямую увидеть. В конечном итоге мы получим наше (3+1)-мерное пространство, в котором каждой точке нашей 4-мерной Вселенной отвечает крохотное 6-мерное пространство.

В ходе исследований было показано, что такое наивное представление неверно. В середине 1990-х Эдвард Виттен и другие физики-теоретики обнаружили веские доказательства того, что все пять суперструнных теорий тесно связаны друг с другом, являясь различными предельными случаями единой 11-мерной фундаментальной теории. Эта теория получила название М-Теории.

Когда Виттен дал название М-теории, он не уточнял, что обозначает М, предположительно, потому, что не чувствовал за собой права давать название теории, которую он не мог полностью описать. Предположения о том, что может обозначать М, стало игрой среди физиков-теоретиков. Одни говорят, что М означает «Мистическая», «Магическая» или «Материнская». Более серьёзные предположения — «Матричная» и «Мембранная». Кто-то заметил, что М может быть перевёрнутой W — первая буква имени Witten (Виттен). Другие предполагают, что М в М-теории должно означать «Недостающая» (англ. Missing) или даже «Мутная» (англ. Murky).

Развитие 11-мерной М-теории позволило физикам заглянуть за пределы времени, перед которым произошёл Большой взрыв.

Браны в 10-11 мерном пространстве сталкиваются и создают Большой Взрыв на *поверхности* бран...Браны в 10-11 мерном пространстве сталкиваются и создают Большой Взрыв на *поверхности* бран...

Была создана теория, согласно которой наша Вселенная является следствием столкновения объектов в другой Вселенной, которых, в свою очередь, может быть бесчисленное множество. Таким образом, раскрытие одного вопроса привело к появлению еще большего количества вопросов.

М-Теория была взята учёными, как теория всего. То есть эта теория подходит для объяснения всего: как зародилась Вселенная, что было до рождения нашей Вселенной, отвечает на вопрос существования времени до зарождения Вселенной (время существовало ещё до рождения Вселенной), раскрывает будущее Вселенной.


Часть 3

Струнные дыры:

Общепринятая сейчас теория чёрных дыр, выдвинутая сорок лет назад физиком Джоном Уилером, гласит, что после «выгорания» звезды, её останки сжимаются с такой силой, что сила притяжения превышает силу отталкивания, и в результате остаётся сингулярность: точка в пространстве, где материя находится в состоянии «бесконечной плотности». Сингулярность окружает так называемый «горизонт событий», гипотетическая граница, которую не способны преодолеть оказавшиеся внутри неё материя и энергия. Они «втягиваются» в чёрную дыру и навсегда остаются внутри.

Представление чёрной дыры.Представление чёрной дыры.

Это-то «навсегда» и вызывает вопросы.

В 1975 году крупнейший теоретик чёрных дыр Стивен Хокинг из Кембриджского университета установил (правда, лишь теоретически), что чёрные дыры медленно, но неизбежно испаряются. В соответствии с законами квантовой механики, пары «виртуальных» частиц и античастиц постоянно бурлят в пустом пространстве. Хокинг показал, что гравитационная энергия чёрных дыр может передаваться «виртуальным» частицам у самого горизонта событий. В этом случае «виртуальные» частицы становятся реальными и выходят за пределы горизонта вместе с позитивной энергией в форме «излучения Хокинга». Таким образом, со временем чёрная дыра испаряется.

Температура излучения Хокинга (излучение вблизи горизонта событий чёрной дыры, имеющее тепловой спектр):

Температура излучения чёрной дыры

где — постоянная Планка, c — скорость света в вакууме, k — постоянная Больцмана, G — гравитационная постоянная, и, наконец, M — масса чёрной дыры. Например, несложно вычислить, что черная дыра массой 2*10^30 кг (масса Солнца) будет иметь температуру излучения равную 6,135*10^(-8) Кельвинов. Это очень маленькая температура, даже по сравнения с фоновым излучением Вселенной с температурой 2,7 Кельвина.

Но температуры известных астрономам чёрных дыр слишком малы, чтобы излучение от них можно было бы зафиксировать — массы дыр слишком велики. Поэтому до сих пор эффект не подтверждён наблюдениями.

Однако такой взгляд приводит к «информационному парадоксу». Получается, что согласно теории относительности, информация о материи, попадающей в чёрную дыру, теряется, тогда как квантовая механика утверждает, что информация может в итоге вырваться наружу.

Хокинг на это отметил, что хаотичная натура «излучения Хокинга» означает, что энергия вырывается наружу, а информация нет. Однако в 2004-м году он изменил своё мнение — и это лишь один из пунктов пересмотра современной наукой всех своих взглядов на чёрные дыры.

Дело в том, что сейчас теоретики пытаются «примерить» на чёрные дыры (и все теоретические неувязки, связанные с ними) теорию струн. Теория струн сейчас — это лучшая попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, поскольку сами струны несут в себе гравитационную силу, а их вибрация является случайной, как и предсказывает квантовая механика.

В 1996 году Эндрю Стромингер и Камран Вафа из гарвардского университета решили подойти к проблеме информационного парадокса путём определения того, как чёрная дыра может быть устроена изнутри.

Выяснилось, что теория струн дозволяет выстраивание исключительно плотных и мелкомасштабных структур из самих струн и других описываемых теорией объектов, часть из которых имеют более трёх измерений. И эти структуры вели себя как раз как чёрные дыры: их гравитационная тяга не выпускает наружу свет.

Количество способов организации струн внутри чёрных дыр, — просто огромно. И, что особо интересно, эта величина полностью совпадает с величиной энтропии чёрной дыры, которую Хокинг и его коллега Бекенштейн рассчитали ещё в семидесятые годы.

Однако определение количества возможных вариантов сочетания струн — это ещё не всё. В 2004-м году команда Самира Матура из Университета штата Огайо взялась за прояснение вопроса возможного расположения струн внутри чёрной дыры. Выяснилось, что почти всегда струны соединяются так, что образуют единую — большую и очень гибкую — струну, но куда большего размера, нежели точечная сингулярность.

Группа Матура вычислила физические размеры нескольких «струнных» чёрных дыр, (которые участники группы предпочитают называть fuzzballs — «пуховыми шариками», или stringy stars — «струнными звёздами»). И с удивлением обнаружили, что размеры этих струнных образований совпадали с размерами «горизонта событий» в традиционной теории.

В связи с этим Матур предположил, что т.н. «горизонт событий» на самом деле представляет собой «пенящуюся массу струн», а не жёстко очерченную границу.

И что чёрная дыра на самом деле не уничтожает информацию по той причине, например, что никакой сингулярности в чёрных дырах просто нет. Масса струн распределяется по всему объёму до горизонта событий, и информация может храниться в струнах и отпечатываться на исходящем излучении Хокинга (а следовательно выходить за порог событий).

Впрочем, и Вафа, и Матур признают, что эта картина носит весьма предварительный характер. Матуру ещё предстоит проверить, как его модель подходит к крупным чёрным дырам, или понять, как чёрные дыры эволюционируют.

Ещё один вариант предложен Гэри Горовицем из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре и Хуаном Малдасеной из принстоновского Института передовых исследований. По мнению этих исследователей, сингулярность в центре чёрной дыры всё-таки существует, однако информация в неё просто не попадает: материя уходит в сингулярность, а информация — путём квантовой телепортации — отпечатывается на излучении Хокинга. Многие физики оспаривают данную точку зрения, отвергая возможность мгновенного перехода информации.

Экстремальные черные дыры:

Многообразие (Евклидово пространство является самым простым примером многообразия. Более сложным примером может служить поверхность Земли. Возможно сделать карту какой-либо области земной поверхности, например карту полушария, но невозможно составить единую (без разрывов) карту всей её поверхности) по которому может двигаться струна называется D-браной или Dp-браной (при использовании второго обозначения ‘p’ — целое число, характеризующее число пространственных измерений многообразия). Пример — две струны, у которых один или оба конца закреплены на 2-мерной D-бране или D2-бране:

D-браны могут иметь число пространственных измерений от -1 до числа пространственных измерений нашего пространства-времени. Само слово ‘брана’ произошло от слова ‘мембрана’, которая является двумерной поверхностью.

Для чего я тут про это написал, а вот:

Браны сделали возможным описание некоторых специальных черных дыр в рамках теории струн (Это открытие сделали Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа в 1996 г. Выше.)

Взаимосвязь бран с черными дырами косвенная, но убедительная. Вот как это происходит: Вы начинаете с выключения гравитационной силы (вы делаете это, устанавливая струнную константу связи (число, означающее вероятность распада струны на две струны — одна из двух фундаментальных постоянных в теории струн. Первая — это «натяжение» струны) на нуле). Это может показаться странным для описания черных дыр, которые есть ничто иное, как гравитация, однако, посмотрим, что происходит дальше. С отключенной гравитацией мы можем рассмотреть геометрии, в которых многие браны накручены вокруг дополнительных измерений. Теперь мы используем факт, что браны переносят электрические и магнитные заряды. Оказывается, что имеется предел того, как много заряда может иметь брана, этот предел связан с массой браны. Конфигурации с максимально возможным зарядом очень специфичны и называются экстремальными. Они включают в себя одну из ситуаций, когда имеются дополнительные симметрии, которые позволяют проводить более точные вычисления. В особенности, такие ситуации характеризуются наличием нескольких различных суперсимметрий, которые связывают фермионы и бозоны.

Имеется также максимальное количество электрического или магнитного заряда, которое может иметь черная дыра, и все еще быть стабильной. Они называются экстремальными черными дырами, и они многие годы изучались специалистами по ОТО.

Несмотря на тот факт, что гравитационная сила была выключена, экстремальная система бран делит некоторые свойства с экстремальными черными дырами. В особенности, идентичны термодинамические свойства двух систем. Таким образом, через изучение термодинамики экстремальных бран, накрученных на дополнительные измерения, можно воспроизвести термодинамические свойства экстремальных черных дыр.

Одной из проблем физики черных дыр было объяснение открытия Якоба Бекенштейна и Стивена Хокинга, что черные дыры имеют энтропию и температуру. Новая идея из теории струн такова (в случае экстремальных черных дыр) что вы можете продвинуться в изучении аналогичных систем экстремальных бран, свернутых вокруг дополнительных измерений. Фактически, многие свойства двух систем в точности одинаковы. Это почти сверхъестественное совпадение возникает потому, что в обоих случаях имеется несколько различных суперсимметричных преобразований, связывающих фермионы и бозоны. Оказывается, они позволяют сконструировать убедительную математическую аналогию, которая заставляет термодинамики* двух систем быть идентичными.

***

* Термодинамика черной дыры (свойства):

  • Сила гравитации одинакова по всей поверхности горизонта событий
  • Площадь горизонта событий черной дыры не может уменьшаться со временем при любом классическом процессе.
  • В любых неравновесных процессах с участием чёрных дыр (например, при их столкновении) площадь поверхности увеличивается.
Записал:

SALIK

Санкт-Петербург
info
+48
Я не автоматический, тематический информационный агрегатор! Материалы Salik.biz содержат мнение исключительно их авторов и не отражают позицию редакции.

Поделиться в социальных сетях:


Оцените:
+1
128
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...

   Подписывайтесь на наш канал в Телеграмм:   Перейти



Читайте также