Теория на струните: определение, М-теория и допълнителни измерения

Въведенията в теорията на струните, предназначени за широката публика, трябва първо да обяснят физиката. Някои от споровете относно теорията на струните са резултат от неправилно разбиране на физиката. Често срещано недоразумение дори за учените е презумпцията, че една теория се оказва вярна в обяснението си на естествения свят винаги, когато нейните предсказания са успешни. Друго недоразумение е, че по-рано физиците, включително химиците, вече са обяснили света. Това води до недоразумението, че теоретиците на струните са започнали да правят странни хипотези, след като са станали безотговорно "освободени от истината".

Класическа сфера

Нютонова физика

Законът на Нютон за универсалната гравитация (UG), добавен към трите закона на Галилей за движението и някои други предположения, е публикуван през 1687 г. Теорията на Нютон успешно моделира взаимодействията между обекти с размери, които можем да видим, набор от явления, които сега се наричат класическа сфера. Законът на Кулон моделира електрическото привличане. Теорията за електромагнитното поле на Максуел обединява електричеството и магнетизма, а оптиката възниква от това поле.

Скоростта насветлината остава приблизително същата, когато се измерва от наблюдател, пътуващ в полето ѝ, въпреки че добавянето на скорости предвижда полето да бъде по-бавно или по-бързо спрямо наблюдател, пътуващ със или срещу него. Така че спрямо електромагнитното поле наблюдателят продължаваше да губи скорост. Все пак това не нарушавало принципа на относителността на Галилей, според който законите на механиката действат еднакво за всички обекти, проявяващи инерция.

По силата на закона за инерцията, когато към даден обект не се прилага сила, обектът запазва скоростта си, която е скорост и посока. Обект, който се движи равномерно, което е постоянна скорост в непроменяща се посока, или остава в покой, което е нулева скорост, изпитва инерция. Той проявява Галилеева инвариантност - механичните му взаимодействия протичат без изменение - наричана още Галилеева относителност, тъй като човек не може да усети дали е в покой, или в равномерно движение.

Теория на относителността

Специална относителност

През 1905 г. специалната теория на относителността на Айнщайн обяснява точността както на електромагнитното поле на Максуел, така и на Галилеевата теория на относителността, като заявява, че скоростта на полето е абсолютна - универсална константа - докато пространството и времето са локални явления спрямо енергията на обекта. По този начин обектът в относително движение се скъсява по посока на своя импулс (Лоренцово свиване), а разгръщането на събитията се забавя (разширяване на времето). Пътник в обекта не може да открие промяната, тъй като всички измервателни уреди на борда на това превозно средство са изпитали свиване на дължината и разширяване на времето. Единствено външен наблюдател, който е в относителен покой, измерва, че обектът в относително движение е скъсен по пътя на движението си и събитията му са забавени. Специалната теория на относителността оставя теорията на Нютон - която твърди, че пространството и времето са абсолютни - неспособна да обясни гравитацията.

Чрез принципа на еквивалентността Айнщайн прави извода, че да си подложен на гравитация или на постоянно ускорение са неразличими преживявания, които могат да имат общ физически механизъм. Предполагаемият механизъм е прогресивно свиване на дължината и разширяване на времето - следствие от локалната плътност на енергията в триизмерното пространство, което създава прогресивно напрежение в твърд обект, освобождаващ напрежението си чрез придвижване към мястото с най-голяма плътност на енергията. Специалната теория на относителността би била ограничен случай на гравитационно поле. Специалната теория на относителността би се прилагала, когато плътността на енергията в триизмерното пространство е еднаква и така гравитационното поле се мащабира равномерно от място до място, поради което обектът не изпитва ускорение и следователно няма гравитация.

Обща теория на относителността

През 1915 г. общата теория на относителността на Айнщайн обяснява гравитацията с 4D пространство-време, моделирано като Лоренцово многообразие. Времето е едно измерение, обединено с трите измерения на пространството, тъй като всяко събитие в 3D пространството - 2D по хоризонтала и 1D по вертикала - включва точка по 1D времева ос. Дори в ежедневието човек заявява или предполага и двете. Човек казва или поне има предвид: "Ще се срещнем в сградата на 123 Main Street, пресичаща Franklin Street в апартамент 3D на 10 октомври 2012 г. в 21:00 ч.". Като се пропусне или пропусне времевата координата, човек пристига на правилното място в пространството, когато търсеното събитие отсъства - то е в миналото или бъдещето, може би в 18:00 ч. или в 12:00 ч.

Като сближава пространството и времето и ги приема за относителни спрямо плътността на енергията в околността и като определя за единствена константа или абсолютна величина не дори масата, а скоростта на светлината във вакуум, общата теория на относителността разкрива невъобразимото дотогава равновесие и симетрия на естествения свят. Всеки обект винаги се движи със скоростта на светлината по права линия - неин еквивалент, по извита повърхност, наречена геодезична или световна линия - единственият път на най-малкото съпротивление като свободно падане през 4D пространство-времето, чиято геометрия се "извива" в близост до масата/енергията.

Обект, движещ се със скоростта на светлината във вакуум, се движи с максимална скорост в триизмерното пространство, но не показва развитие на събитията - той е замръзнал във времето, докато обект, неподвижен в триизмерното пространство, тече изцяло в едноизмерното време, изпитвайки максимална скорост на развитие на събитията. Показаната вселена е относителна за дадено място, но след като се посочи масата/енергията в тази близост, уравненията на Айнщайн предсказват какво се случва - или се е случвало, или ще се случва - навсякъде във вселената. Популяризираното схващане, че относителното в теорията на Айнщайн предполага субективно или произволно, е за известно съжаление на Айнщайн, който по-късно смята, че е трябвало да я нарече обща теория.

Космология

Пратениците на електромагнитното поле, фотоните, пренасят образ без време във Вселената, а наблюдателите в това поле имат достатъчно времеви поток, за да разкодират този образ и да реагират, като се движат в триизмерното пространство, но никога не могат да изпреварят този безвременен образ. Състоянието на Вселената под 400 000 години след предполагаемия Голям взрив, поставил началото на нашата Вселена, се смята, че се изобразява като космически микровълнов фон (КМВ).

През 1915 г. се смята, че Вселената се състои изцяло от галактиката Млечен път и е статична. Айнщайн оперира с наскоро публикуваните си уравнения на гравитационното поле и открива следствието, че Вселената се разширява или свива. (Теорията е приложима и в двете посоки - инвариантност на времето.) Той ревизира теорията, като добавя космологична константа, за да балансира произволно Вселената. Близо до 1930 г. телескопичните данни на Едуин Хъбъл, интерпретирани чрез общата теория на относителността, разкриват, че Вселената се разширява.

През 1916 г., докато е на бойното поле на Първата световна война, Карл Шварцшилд работи с уравненията на Айнщайн, а решението на Шварцшилд предсказва черни дупки. Десетилетия по-късно астрофизиците идентифицират свръхмасивна черна дупка в центъра на може би всяка галактика. Изглежда, че черните дупки ръководят формирането и поддържането на галактиките, като регулират образуването и разрушаването на звездите.

През 30-те години на миналия век е забелязано, че според общата теория на относителността галактиките ще се разпаднат, ако не са заобиколени от невидима материя, която държи галактиката заедно, а през 70-те години на миналия век тъмната материя започва да се приема. През 1998 г. се стига до заключението, че разширяването на Вселената не се забавя, а се ускорява, което показва огромна плътност на енергията - достатъчна да ускори както видимата, така и тъмната материя - в цялата Вселена, огромно поле от тъмна енергия. Очевидно е, че под 5 % от състава на Вселената е известен, а останалите 95 % са загадъчни - тъмна материя и тъмна енергия.

Квантова сфера

Странна механика

През 20-те години на миналия век, за да се изследва действието на електромагнитното поле в миниатюрни мащаби на пространството и времето, е разработена квантовата механика (КМ). И все пак електроните - частиците на материята, които взаимодействат с фотоните, които са носители на силите на електромагнитното поле - изглежда, че изобщо не се подчиняват на механичните принципи. Никой не можеше да предвиди местоположението на квантовата частица от момент на момент.

При експеримента с процепите електронът преминава през един отвор, поставен пред него. Но един електрон ще премине едновременно през няколко дупки, колкото и да са разположени пред него. Един-единствен електрон би оставил върху детекторната дъска интерференчна картина, сякаш единичната частица е вълна, която е преминала през всички дупки едновременно. И все пак това се случва само когато не се наблюдава. Ако върху очакваното събитие се насочи светлина, взаимодействието на фотона с полето ще постави електрона в единична позиция.

По силата на принципа на неопределеността обаче точното местоположение и импулсът на всяка квантова частица не могат да бъдат определени със сигурност. Взаимодействието на частицата с инструмента за наблюдение/измерване я отклонява така, че при по-добро определяне на нейното положение се получава по-слабо определяне на нейния импулс, и обратно.

Теория на полето в кванти

Чрез разширяване на квантовата механика в полето се появява последователен модел. От едно място до друго вероятността частицата да съществува там се повишава и понижава като вълна на вероятността - повишаваща се и понижаваща се плътност на вероятността. Когато не е наблюдавана, всяка квантова частица влиза в суперпозиция, така че дори една-единствена частица запълва цялото поле, колкото и голямо да е то. И все пак частицата не се намира определено никъде в полето, а там с определена вероятност спрямо това дали е била на съседното място. Вълновата форма на електромагнитното поле на Максуел е породена от натрупване на вероятностни събития. Не частиците, а математическата форма е била постоянна.

Настройването на полето към специалната теория на относителността позволява предсказване на цялото електромагнитно поле. Така възниква релативистката квантова теория на полето (КТП). За електромагнитното поле това е релативистката квантова електродинамика (КЕД). За слабото и електромагнитното поле взети заедно, това е релативистичната електрослаба теория (EWT). За силното поле това е релативистката квантова хромодинамика (QCD). Общо това се превръща в Стандартния модел на физиката на елементарните частици.

Разделение по физика

Когато стандартният модел се превърне в обща теория на относителността, за да се включи масата, се появяват вероятностни плътности с безкрайност. Това се приема за неправилно, тъй като обикновено вероятността варира от 0 до 1-0% и 100% вероятност. Някои теоретични физици подозират, че проблемът е в Стандартния модел, който представя всяка частица чрез точка с нулево измерение, която по принцип може да бъде безкрайно малка. И все пак в квантовата физика константата на Планк е минималната единица енергия, на която може да се раздели едно поле, което може би е подсказка за най-малкия размер, който може да има една частица. Затова се търси квантово измерване на гравитацията - разработване на теория на квантовата гравитация.

Рамка

Стринг предполага, че в микроскопичен мащаб 4D пространство-времето на Айнщайн е поле от многообразия на Калаби-Яу, всяко от които съдържа 6 пространствени измерения, завити нагоре, като по този начин не се разширява в 3-те пространствени измерения, представени в класическата сфера. В теорията на струните всяка квантова частица е заменена с 1D струна от вибрираща енергия, чиято дължина е дължината на Планк. Когато струната се движи, тя проследява ширината си и по този начин се превръща в 2D - лист на света. Тъй като струната вибрира и се движи в 6D пространството на Калаби-Яу, тя се превръща в квантова частица. При този подход лесно се появява хипотетичният гравитон - предвиден за обяснение на общата относителност.

Теории

Теорията на струните започва като бозонна теория на струните, чиито 26 измерения действат като много по-малко. Въпреки това тя моделира само бозоните, които са енергийни частици, като пропуска фермионите, които са частици на материята. Така че бозоновата теория на струните не можеше да обясни материята. И все пак чрез добавяне на суперсиметрия към бозонната теория на струните бяха постигнати фермиони и теорията на струните се превърна в суперструнна теория, обясняваща и материята.

(Във версиите на квантовата теория на полето, които включват суперсиметрия (SUSY), всеки бозон има съответен фермион и обратно. Тоест всяка енергийна частица има съответна частица материя и всяка частица материя има съответна енергийна частица, но ненаблюдаемият партньор е по-масивен и следователно свръхмасивен. Тези суперпартньори може да изглеждат екстравагантно предсказание, но все пак много теоретици и експериментатори предпочитат суперсиметричните версии на Стандартния модел, чиито уравнения иначе трябва да се коригират екстравагантно и понякога произволно, за да се запази успехът на предсказването или математическата последователност, но с подреждане на суперпартньорите).

Неподлежащи на проверка - ненаучни?

Твърдението на теорията на струните, че всички молекули са струни от енергия, е обект на остра критика. Съществуват много версии на теорията на струните, като нито една от тях не предсказва напълно успешно данните от наблюденията, обяснени от Стандартния модел. Вече е известно, че теорията на М има безброй решения, които често предсказват странни и неизвестни за съществуването неща. Някои твърдят, че теоретиците на струните избират само желаните предсказания.

Твърдението, че теорията на струните не прави предсказания, които могат да бъдат проверени, е невярно, тъй като тя прави много такива. Никоя теория - предсказващ и може би обяснителен модел на някаква област от природни явления - не подлежи на проверка. Всички конвенционални физически теории до Стандартния модел са изказвали твърдения за ненаблюдаеми аспекти на природния свят. Дори Стандартният модел има различни интерпретации по отношение на природния свят. Когато се работи със Стандартния модел, той често се прави във версия със суперсиметрия, която удвоява броя на видовете частици, идентифицирани досега от физиците на елементарните частици.

Никой не може буквално да измери пространството, но Нютон постулира абсолютното пространство и време, а теорията на Нютон направи ясни предсказания, които бяха изключително проверими и успешни в продължение на 200 години, но теорията все пак беше фалшифицирана като обяснение на природата. Физиците приемат, че не съществува подобна притегателна сила, която пряко да привлича материя към материя, да не говорим, че тази сила мигновено прекосява Вселената. Въпреки това теорията на Нютон все още е парадигмална за науката.

Скрити измерения?

Идеята за скритата размерност на пространството може да изглежда окултна. Някои теоретици на квантовата гравитация - претендент за квантова гравитация - смятат теорията на струните за фундаментално погрешна, тъй като предполага, че пространството изобщо има форма, докато частиците не го оформят. Това означава, че те не се съмняват, че пространството има различни форми, но просто смятат, че частиците определят формата на пространството, а не обратното. Вихърът на пространство-времето, предсказан от общата теория на относителността, очевидно се потвърждава.

Ако се тълкува като естествена истина, Стандартният модел, представящ квантовата частица като точка 0D, вече показва, че пространство-времето е море от вълнообразни форми, квантова пяна. Теоретиците на струните са склонни да вярват, че природата е по-елегантна - убеждение, което теоретикът на циклите Лий Смолин отхвърля като романтично, докато използва Модерния синтез на биологията като реторичен похват. Експериментите за откриване на добавени пространствени измерения засега са неуспешни, но все още съществува вероятност да се появят признаци за тях.

Толкова много решения?

Теорията на М има много трилиони решения. Леонард Зюскинд, един от лидерите на теорията на струните, тълкува пластичността на решенията на теорията на струните като парадоксална подкрепа за разрешаването на загадката защо съществува тази вселена, тъй като М теорията я показва само като вариант на общ модел, който винаги дава приблизителни резултати.

Общата теория на относителността е довела до много открития, които през 1915 г. са били немислими, освен в художествената литература. Решение на уравненията на Айнщайн, което се опитва да обясни динамиката на квантовите частици, мостът на Айнщайн-Розен предвижда пряк път, свързващ две отдалечени точки в пространство-времето. Обикновено наричан "червеева дупка", мостът на Айнщайн-Розен е подложен на съмнение, но не е опроверган, което показва или че не всички следствия на една теория трябва да са точни, или че реалността е доста странна по начини, които не могат да се наблюдават.

Много светове

Дори Стандартният модел на физиката на елементарните частици предлага странни възможности, които популистките разкази за науката или пропускат, или споменават като необясними куриози. Теорията обикновено приема Копенхагенската интерпретация, според която полето е само възможности, без да е реално, докато наблюдател или инструмент не взаимодейства с полето, чиято вълнова функция тогава се срива и оставя само функцията на частиците, като само частиците са реални. И все пак колапсът на вълновата функция е само предположен - нито експериментално потвърден, нито дори математически моделиран - и не е открито никакво отклонение нито от вълновата функция в квантовата сфера, нито от функцията на частиците в класическата сфера.

През 1957 г. Хю Еверет описва своята интерпретация на "относителното състояние". Еверет поддържаше тезата, че вълновата функция не колапсира, и тъй като се предполага, че цялата материя и всички взаимодействия са изградени от квантови вълнови частици, всички възможни вариации на квантовото поле - посочени от математическите уравнения - са реални и едновременно протичащи, но с различен ход на историята. Според тази интерпретация всичко, което взаимодейства с полето, се присъединява към състоянието на полето, което е относително към състоянието на наблюдателя - самото то е вълнова форма в собственото си квантово поле - докато двете просто си взаимодействат в универсална вълнова форма, която никога не се разрушава. Към настоящия момент интерпретацията на много физици на очевидния преход от квантовата към класическата сфера не е колапс на вълновата функция, а квантова декохерентност.

При декохеренцията взаимодействието с полето води до това, че наблюдателят попада само в една детерминирана констелация на квантовото поле, така че всички наблюдения се съгласуват с това ново, комбинирано квантово състояние. Тезата на Еверет е вдъхновила интерпретацията на многото светове, според която в рамките на нашата Вселена се предвижда съществуването на практически или потенциално безкрайни паралелни светове, които са реални, но всеки от тях е на нищожно разстояние от другите светове. Тъй като формата на вълната на всеки свят е универсална - не се разрушава, а математическите му отношения са инвариантни, паралелните светове просто запълват празнините и не се докосват.

Много вселени

Айнщайн се съмнява, че черните дупки, както се предвижда от решението на Шварцшилд, са реални. Сега някои предполагат, че черните дупки не съществуват като такива, а са тъмна енергия, или че нашата Вселена е едновременно и черна дупка, и тъмна енергия. Решението на Шварцшилд на уравненията на Айнщайн може да бъде максимално разширено, за да се предскаже черна дупка, която има обратна страна - друга вселена, възникваща от бяла дупка. Може би Големият взрив на нашата Вселена е бил половината от голям отскок, колапс на нещо до черна дупка и изскачането на нашата Вселена от другата ѝ страна като бяла дупка.

Частиците са струни?

Физиците широко се съмняват, че квантовите частици са наистина 0D точки, както е представено в Стандартния модел, който предлага формализъм - математически устройства, чиито щрихи предсказват интересуващите ни явления при въвеждане на данни, а не тълкуване на механизмите, определящи тези явления. И все пак теоретиците на струните са склонни оптимистично да предполагат, че струните са едновременно реални и обяснителни, а не само предсказващи устройства. Далеч от възможностите на днешните ускорители на частици е да задвижат каквито и да било изследващи частици с достатъчно високи енергийни нива, за да преодолеят собствената енергия на квантовата частица и да определят дали тя е струна. И все пак това ограничение съществува и при тестването на други теории за квантовата гравитация. Разработките предполагат други стратегии за "наблюдение" на структурата на квантовите частици.

Парадоксално е, че дори ако тестовете потвърдят, че частиците са струни от енергия, това все още няма да докаже окончателно дори, че частиците са струни, тъй като може да има и други обяснения, може би неочаквано изкривяване на пространството, въпреки че частицата е 0D точка с истинска твърдост. Дори когато предсказанията са успешни, има много възможни обяснения - проблемът за недостатъчната определеност - и философите на науката, както и някои учени, не приемат дори безупречния успех на предсказанията като потвърждение на обясненията на успешната теория, ако те се представят като предлагащи научен реализъм, вярно описание на естествения свят.

Материята е енергия?

Разговорите на физиците на елементарни частици за тестване на предсказаните от теоретичните физици частици чрез сблъскване на частици в ускорители предполагат, че квантовите частици са малки нютонови частици, които експериментаторите разчупват, за да разкрият тяхната структура. Вместо това, когато се сблъскат две частици, всяка с определена маса - измерена като енергия в електронволта - те могат да се съединят в частица с тази комбинирана маса/енергия, а генерираната частица се "наблюдава" за съответствие с предсказанието.

Сред физиците не се спори, че всички частици са енергия. Теоретиците на контура, които понякога си съперничат с теорията на струните, твърдят, че самото пространство-време се превръща в частици. Това, че материята е специален вариант на енергията, е следствие от специалната теория на относителността на Айнщайн, а след това Айнщайн формализира еквивалентността маса-енергия, E=mc2. Когато достатъчно енергийни фотони се сблъскат, те могат да се комбинират и да генерират създаване на материя. Всички частици имат античастици, а атомите на материята имат антиатоми на антиматерията, чието обединение анихилира частиците и материята, като оставя енергия.

Вдъхновяващо развитие е откриването на огледалната симетрия, при която пространствата на Калаби-Яу са склонни да се появяват по двойки, така че решенията, които преди са били трудни в рамките на крайния вибрационен режим на една струна, могат да бъдат решени чрез геометрията на огледалното пространство на Калаби-Яу в противоположния диапазон.

Теорията на струните обикновено се решава чрез конформна теория на полето - квантова теория на полето в двумерното пространство. Потвърдено е, че молекулите могат да колабират в 2D. А електронът, отдавна приеман за елементарна частица, очевидно се разделя на три същности, носещи поотделно трите степени на свобода на електрона, когато молекулите, които съдържат електрони, се насочват по 1D път.