Почему теория струн сохраняется - несмотря на запутанную физику

Пол М. Саттер астрофизик в SUNY Стоуни Брук и Институт Флэтайрон, ведущий Спросите космонавта а также Космическое радио , и автор Ваше место во Вселенной .



Теория струн - это гипотетическая идея, претендующая на то, чтобы быть теорией всего, способной объяснить фундаментальные микроскопические аспекты всей реальности с самого начала. силы природы к строительным блокам всей материи. Это мощная идея, незаконченная и непроверенная, но она сохранялась десятилетиями.



Но сама теория имела довольно неблагоприятное начало, использованное для объяснения сильного ядерного взаимодействия. И это было не очень хорошо.

Это в рассеянии

Вплоть до 1960-х годов физики чувствовали себя довольно уверенно: они открыли то, что они считали фундаментальными составляющими материи (протоны, нейтроны и электроны). И недавно они совершили подвиг, объединив квантовую механику и специальную теорию относительности с тем, что они назвали квантовой электродинамикой (КЭД), которая была полностью квантовым описанием электромагнитной силы.



Но затем они начали разрабатывать невероятно мощные коллайдеры частиц, и внезапно им не очень понравилось то, что они обнаружили. В этих приборах физики обнаружили кучу распавшихся протонов и нейтронов, обнаружив, что эти частицы вовсе не были фундаментальными. И что еще хуже, коллайдеры начали извергать всевозможные новые виды частиц: мезоны, пионы, каоны, резонансы и т. Д.

И всеми ими управляла явно новая сила природы: сильная сила.

Инструменты, используемые для разработки QED, просто разваливались на части, когда из коллайдеров вылетало множество частиц. Физики были в растерянности и хотели опробовать новые идеи.



Поэтому некоторые теоретики начали рыться на чердаке в поисках математических инструментов, которые могли бы оказаться полезными. И там они обнаружили интересный набор идей, впервые предложенных Вернером Гейзенбергом, одним из основоположников квантовой механики.

Смотри, я нашел веревочку!

На заре квантовой механики (первая половина 20-го века) было не совсем ясно, какой математический подход лучше всего объяснить все эти странности. В 1930-х годах Гейзенберг предложил довольно крайнюю идею: вместо того, чтобы использовать обычный подход классической физики: 1) запишите начальные положения всех частиц, участвующих во взаимодействии, 2) получите модель этого взаимодействия и 3) выполните следующие действия. эволюция этих частиц во времени, используя вашу модель для предсказания результата.

Вместо этого, возражал он, почему бы нам просто не пропустить всю эту работу и не разработать машину, называемую матрицей рассеяния или s-матрицей, которая немедленно переходит из начального состояния в конечное, что мы действительно хотим измерить. . Эта машина кодирует все взаимодействия в гигантском ящике, не беспокоясь об эволюции системы.



Это была крутая идея, но она оказалась слишком сложной, чтобы кого-то воодушевить, и она умерла на корню - до тех пор, пока физики не отчаялись в 60-х годах.

Возрождая этот подход к новообретенному сильная ядерная сила теоретики расширили и развили идею s-матрицы, обнаружив, что определенные математические функции, которые повторяются, были особенно мощными.

Другие физики-теоретики погрузились в дело и не смогли устоять перед желанием дать этой структуре традиционную интерпретацию с точки зрения времени и пространства и прослеживания эволюции частиц. И там они обнаружили кое-что удивительное: чтобы описать сильную силу, ее должны были переносить крошечные вибрирующие струны.

Быстрее, чем движущийся фотон

Эти струны, казалось, были основным строительным блоком сильного взаимодействия, а их квантово-механические колебания определяли их свойства в микроскопическом мире - другими словами, их колебания заставляли их выглядеть и действовать как крошечные маленькие частицы.

В конце концов, эта ранняя версия теории струн, известная как барионная теория струн для типов частиц, которые она пыталась объяснить, не совсем решила проблему. Работать с ним было чертовски сложно, делать прогнозы практически невозможно. Это также требовало существования частиц, которые перемещаются Быстрее скорости света , называемые тахионами. Это было серьезной проблемой для ранней теории струн, поскольку тахионов не существует, и если бы они существовали, они бы грубо нарушили невероятно успешную специальную теорию относительности.

О, я упоминал, что теория барионных струн требует 26 измерений, чтобы иметь математический смысл? Это была довольно большая пилюля, которую нужно было проглотить, учитывая, что Вселенная имеет только четыре измерения.

В конечном итоге теория барионных струн умерла по двум причинам. Во-первых, он делал прогнозы, которые не совпадали с экспериментами. Это большой запрет. И во-вторых, альтернативная теория сильного взаимодействия, включающая новую гипотетическую частицу, называемую кварком, и носитель силы, называемый глюоном, смогла быть уложена в квантовую структуру и успешно сделала предсказания. Эта новая теория, называемая квантовой хромодинамикой, или КХД, сегодня остается нашей теорией сильного ядерного взаимодействия.

А теория струн по большей части отошла на второй план. Он будет возрожден в 1970-х годах, когда теоретики поймут, что он может описывать нечто большее, чем сильное взаимодействие, и после того, как они найдут способ избавиться от предсказаний тахионов в теории. Теория все еще нуждалась в дополнительных измерениях, но физики смогли уменьшить их число до более разумно звучащего 10. И с осознанием того, что эти измерения могут быть крошечными и свернутыми ниже масштаба, в котором мы могли бы их непосредственно наблюдать, теория струн этого не сделала. В конце концов, это не кажется дурацким.

И сегодня эта теория струн остается, все еще пытаясь объяснить сильное взаимодействие - и многое другое.

Узнайте больше, послушав серию «Стоит ли этого теория струн? (Часть 2: Настройка струн) ' в подкасте 'Спроси космонавта', доступном на iTunes и в Интернете по адресу http://www.askaspaceman.com . Спасибо John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T. ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. за вопросы. что привело к этой штуке! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter а также facebook.com/PaulMattSutter .

Подписывайтесь на нас в Твиттере @Spacedotcom и дальше Facebook .