Только музыка, или суть теории суперструн

Санкт-Петербургский Государственный Университет Культуры и Искусств

Факультет Истории Мировой Культуры

Реферат  на тему:

«Только музыка, или суть теории суперструн»

Выполнила студентка 1 курса

вечернего отделения

группа 24106

Бригида Дарья

Санкт-Петербург

2010 год

Введение 

С давних времен музыка является источником метафорических образов для тех, кто пытается разгадать тайны Вселенной. Начиная с «музыки сфер» древних пифагорейцев и до «гармонии мира», на протяжении столетий направляющих наши научные поиски, мы пытаемся понять песнь природы в величественных хороводах небесных тел и неистовой пляске субатомных частиц. С открытием теории суперструн музыкальные метафоры приобрели удивительную реальность, поскольку согласно этой теории микромир заполнен крошечными струнами, звучание которых оркеструет эволюцию мироздания. Согласно теории суперструн ветры перемен дуют через эолову арфу Вселенной.

Теория  струн (часто термин «теория струн» является сокращением от «теории суперструн») это объединенная теория мироздания, в которой постулируется, что фундаментальными объектами в природе являются не нульмерные точечные частицы, а крошечные одномерные протяженные объекты, называемые квантовыми струнами. Эта теория, как направление математической физики, изучает их динамику и взаимодействия.

В теории струн гармонически сочетаются квантовая механика и общая теория относительности — ранее известные законы малого и большого, — являющиеся во всех других случаях несовместимыми. И, возможно, на ее основе будет построена будущая теория квантовой гравитации.

Теория  суперструн основана на гипотезе, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия, возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10⁻³³ см. 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.

Однако, несмотря на возможное количество плюсов и целостность этой теории, возникли достаточно серьезные проблемы со сбором базы экпериментальных доказательств, который дали бы толчок для дальнейших исследований в познании окружающего мира. 
 

История возникновения 

В 1968 г. молодой физик-теоретик Габриэле Венециано корпел над осмыслением многочисленных экспериментально наблюдаемых характеристик сильного ядерного взаимодействия. Он трудился над этой проблемой в течение нескольких лет, пока однажды его не осенила блестящая догадка. К большому своему удивлению он понял, что экзотическая математическая формула, придуманная примерно за двести лет до этого знаменитым швейцарским математиком Леонардом Эйлером в чисто математических целях — так называемая бета-функция Эйлера, — похоже, способна описать одним махом все многочисленные свойства частиц, участвующих в сильном ядерном взаимодействии. Подмеченное Венециано свойство давало мощное математическое описание многим особенностям сильного взаимодействия; оно вызвало шквал работ, в которых бета-функция и ее различные обобщения использовались для описания огромных массивов данных, накопленных при изучении столкновений частиц по всему миру. Однако в определенном смысле наблюдение Венециано было неполным. Подобно зазубренной наизусть формуле, используемой студентом, который не понимает ее смысла или значения, бета-функция Эйлера работала, но никто не понимал почему. Положение дел изменилось в 1970 г., когда Йохиро Намбу, Хольгер Нильсен и Леонард Сасскинд смогли выявить физический смысл, скрывавшийся за формулой Эйлера. Они показали, что при представлении элементарных частиц маленькими колеблющимися одномерными струнами их сильное взаимодействие в точности описывается с помощью функции Эйлера. Если отрезки струн являются достаточно малыми, рассуждали эти физики, они по-прежнему будут выглядеть как точечные частицы. Следовательно, не будут противоречить результатам экспериментальных наблюдений. Хотя эта теория была простой, вскоре выяснилось, что описание сильного взаимодействия с ее помощью содержит изъяны. В начале 1970-х гг. специалисты по физике высоких энергий смогли глубже заглянуть в субатомный мир и показали, что ряд предсказаний модели, основанной на использовании струн, находится в прямом противоречии с результатами наблюдений. В то же время параллельно шло развитие квантово-полевой теории, в которой использовалась точечная модель частиц. Успехи этой теории в описании сильного взаимодействия привели к отказу от теории струн.

Большинство специалистов по физике элементарных частиц полагали, что теория струн навсегда забыта, однако ряд исследователей сохранили ей верность. Шварц, например, ощущал, что «математическая структура теории струн столь прекрасна и имеет столько поразительных свойств, что, несомненно, должна указывать на что-то более глубокое». Одна из проблем, с которыми физики сталкивались в теории струн, состояла в том, что она, как казалось, предоставляла слишком богатый выбор, что сбивало с толку. Некоторые конфигурации колеблющихся струн в этой теории имели свойства, которые напоминали свойства глюонов. И это давало основание действительно считать ее теорией сильного взаимодействия. Но помимо этого в ней содержались дополнительные частицы-переносчики взаимодействия, не имевшие никакого отношения к экспериментальным проявлениям сильного взаимодействия.

 В  1974 г. Шварц и Шерк сделали предположение, превратившее этот кажущийся недостаток в достоинство. Изучив моды колебаний струн, напоминающие частицы-переносчики, они поняли, что эти свойства точно совпадают с предполагаемыми свойствами гравитона - гипотетической частицы-переносчика гравитационного взаимодействия. Хотя их до сих пор так и не удалось обнаружить, теоретики могут уверенно предсказать некоторые фундаментальные свойства, которыми должны обладать эти частицы. Шерк и Шварц обнаружили, что эти характеристики в точности реализуются для некоторых мод колебаний. Основываясь на этом, они предположили, что первое пришествие теории струн закончилось неудачей из-за того, что физики чрезмерно сузили область ее применения. Шерк и Шварц объявили, что теория струн — это не просто теория сильного взаимодействия, это квантовая теория, которая, помимо всего прочего, включает гравитацию.

Физическое  сообщество отреагировало на это  предположение весьма сдержанно. Пути прогресса были достаточно захламлены многочисленными провалившимися попытками объединить гравитацию и квантовую механику. И, так как теория струн также потерпела неудачу в своей первоначальной попытке описать сильное взаимодействие, многим казалось бессмысленным пытаться использовать ее для достижения еще более великих целей. Дальнейшие, более детальные исследования конца 1970-х и начала 1980-х гг. показали, что между теорией струн и квантовой механикой возникают свои, хотя и меньшие по масштабам, противоречия.

Так было до 1984 г. В своей статье, сыгравшую поворотную роль и подытожившую

более чем десятилетние интенсивные исследования, Брайан Грин и Джон Генри Шварц установили, что незначительное противоречие с квантовой теорией, которым страдала теория струн, может быть разрешено. Более того, они показали, что полученная в результате теория обладает достаточной широтой, чтобы охватить все четыре вида взаимодействий и все виды материи.

Была  разработана стандартная модель, и ее успех, предсказывавший результаты экспериментов, почти не оставлял сомнений ее полного подтверждения в не слишком отдаленном будущем. Выход за пределы этой модели для включения гравитации и возможного объяснения экспериментальных данных, на которых она базируется (19 чисел, характеризующих массы элементарных частиц, константы их взаимодействия и относительную интенсивность взаимодействий, известных из результатов экспериментов, но не объясненных теоретически), казался такой непосильной задачей, что лишь некоторые исследователи взялись за это. И спустя всего шесть месяцев настроения радикально изменились.

Период  с 1984 по 1986 гг. теперь известен как «первая революция в теории суперструн». В течение двух лет физиками всего мира было написано более тысячи статей по теории струн. И окончательно продемонстрировали, что многочисленные свойства стандартной модели, открытые за 10-тилетия кропотливых исследований, естественным образом вытекают из величественной системы теории струн.

Как заметил Майкл Грин, «момент, когда вы знакомитесь с теорией струн и осознаете, что почти все основные достижения физики последнего столетия следуют — и следуют с такой элегантностью — из столь простой отправной точки, ясно демонстрирует вам всю невероятную мощь этой теории». Более того, для многих из этих достижений теория суперструн дает гораздо более полное и удовлетворительное описание, чем стандартная модель. Такие открытия убедили многих физиков, что теория струн способна выполнить свои обещания и стать окончательной объединяющей теорией.

Однако  ученые, занимавшиеся теорией струн, регулярно натыкались на серьезные препятствия на этом пути. В теоретической физике достаточно часто приходится иметь дело с уравнениями, которые либо слишком сложны для понимания, либо с трудом поддаются решению. Как правило в такой ситуации физики не прекращают работу и пытаются получить приближенное решение этих уравнений. Но в теории струн положение дел гораздо сложнее. Даже сам вывод уравнений оказался столь сложным, что до сих пор удалось получить лишь их приближенный вид. Таким образом, физикам, работающим в теории струн, приходится искать приближенные решения приближенных уравнений. После нескольких лет глобального прогресса, достигнутого в течение первой революции теории суперструн, ученые столкнулись с тем, что используемые приближенные уравнения оказались неспособными дать правильный ответ на ряд важных вопросов, тормозя тем самым дальнейшее развитие исследований. Не имея конкретных идей по выходу за рамки этих приближенных методов, многие физики, работавшие с теорией струн, испытали растущее чувство разочарования и вернулись к своим прежним исследованиям.

Долгий  период «засухи» время от времени прерывался важными открытиями, но всем было ясно, что требуются новые методы, которые позволили бы выйти за рамки уже известных приближенных решений.

Важным  толчком в развитии теории струн стал доклад американского теоретика Эдварда Виттена, ошеломивший аудиторию, до отказа заполненную ведущими физиками мира. На конференции в университете Южной Калифорнии в 1995г. он обнародовал план следующего этапа исследований, положив тем самым начало «второй революции в теории суперструн». Сейчас физики работают над новыми методами, обещающими преодолеть встреченные препятствия.

В 1997г. Хуан Малдасена обнаружил взаимосвязь теории струн и калибровочной теории. Эта взаимосвязь, которая называется AdS/CFT-соответствием (сокращение терминов anti de Sitter space — пространство анти-де-Ситтера, и conformal field theory — конформная теория поля), привлекла большой интерес струнного сообщества и сейчас активно изучается. AdS/CFT-соответствие является конкретной реализацией голографического принципа, имеющего далеко идущие следствия в отношении чёрных дыр, локальности и информации в физике, а также природы гравитационного взаимодействия.

2003г. был ознаменован новым открытием. Ученые обнаружили ландшафт теории струн, который означает, что в теории существует экспоненциально большое число неэквивалентных ложных вакуумов. Это дало начало дискуссии о том, что в итоге может предсказать теория струн и каким образом может измениться струнная космология.  
 

Основные  положения 

Если  б существовал явный механизм экстраполяции струн в низкоэнергетическую физику, теория струн представила бы нам все фундаментальные частицы и их взаимодействия в виде ограничений на спектры возбуждений нелокальных одномерных объектов. Характерные размеры компактифицированных струн чрезвычайно малы, порядка 10⁻³³см, 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.