Глава 2: Теории за пределами Стандартной модели

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ (Введение):

Выдвигаемая гипотеза:

Стандартная модель не является гипотетической объединенной физико-математической теорией, описывающей все известные фундаментальные взаимодействия

· Цели исследования:

-Изучить теории, которые делают Стандартную

модель более полной, не входя в противоречие с уже имеющимися экспериментальными данными

-Систематизировать знания о недостатках Стандартной модели

· В соответствии с установленными целями в работе формируются и решаются следующие задачи:

-краткий анализ проблем Стандартной модели

-изложение и анализ теорий, относящихся к теоретическим разработкам «Физики за пределами Стандартной модели»

Объектом данного исследования являются рассмотрение проблем Стандартной модели и предложение дополнения к ней в виде «новой физики», включающей в себя суперсимметрию, такую как Минимальная суперсимметричная стандартная модель (MSSM) и Ближайшая минимальная суперсимметричная стандартная модель (NMSSM) и абсолютно новые концепции, такие как теория струн, М-теория и дополнительные измерения.

Глава 1: Проблемы Стандартной модели

«Стандартная модель - это не «Теория всего». Существует большое количество наблюдений, которые показывают, что во Вселенной есть большее, чем просто кварки, лептоны и бозоны стандартной модели. Хоть эксперименты показывают, что низкоэнергетическая суперсимметрия и дополнительные измерения не существуют (или настолько ограничены, что они не имеют значения), существует множество доказательств «Физики за пределами Стандартной модели». Есть пять доказательств этого:

1) Темная материя: от формирования структуры до сталкивающихся скоплений галактик, от гравитационного линзирования до нуклеосинтеза Большого взрыва, от акустических колебаний бариона до картины анизотропии на космическом микроволновом фоне, ясно, что привычная нам материя – материал, сделанный из стандартных модельных частиц – это всего около 15% от общей массы во Вселенной. У всего остального просто нет этих сильных или электромагнитных взаимодействий, а масса нейтрино недостаточна для того, чтобы составлять хотя бы 1% недостающего материала. Тем не менее, при изучении влияния гравитации на Вселенную, обнаруживается некоторый тип материи, который не взаимодействует со светом, в отличие от заряженных и нейтральных частиц, описанных в Стандартной Модели.

Поэтому если предположить, что темная материя является частицей – из того, что она выглядит как сгустки и скопления, можно предположить, что она должна быть частице. Каковы же её свойства, в настоящее время остается открытым вопросом в физике. На этот счёт уже появилось множество гипотез, однако все они являются одинаково неубедительными. Вероятнее всего, существует хотя бы одна новая частица, не входящая в Стандартную модель и ещё не обнаруженная – это могло бы объяснить явления, указанные выше.

Логарифмическая шкала, показывающая массы фермионов Стандартных моделей: кварки и лептоны.

2) Массивные нейтрино. Согласно Стандартной модели частицы могут быть безмассовыми, как фотон и глюон, или могут иметь массу, определяемую их связью с полем Хиггса. В течение последнего десятилетия, когда благодаря новейшим исследованиям массы нейтрино впервые были ограничены (посредством нейтринных колебаний), многих удивило, что они имеют очень малую массу, но имеют окончательно ненулевые массы. Наиболее очевидное объяснение этого – механизм видимой пилы – обычно включает в себя дополнительные очень тяжелые частицы (например, в миллиард или триллион раз более массивные, чем частицы Стандартной модели), которые являются расширениями Стандартной модели; без новой частицы, их крошечные массы (миллиардная масса электрона) совершенно необъяснимы. Эти массивные нейтрино почти определенно, в некотором роде, указывают на новую физику.

3) Сильная проблема CP: Если антизеркальные распады отличаются от нормальных распадов, CP нарушается. Если переключить все частицы, участвующие во взаимодействии, с их античастицами, можно ожидать, что законы физики будут такими же: это называется сопряжением заряда или C-симметрией. Если отразить частицы в зеркале, ожидается, что зеркальные частицы будут вести себя так же, как и их отражения: это известно как четность или P-симметрия. Есть примеры того, как одна из этих симметрий нарушается в природе, и в Слабых взаимодействиях (опосредованных бозонами W и Z) нет ничего, что запрещало бы C и P нарушаться вместе.

Фактически, это CP-нарушение действительно имеет место для слабых взаимодействий (что было измерено в экспериментах) и очень важно по ряду теоретических причин. В Стандартной модели нет ничего, запрещающего CP-нарушение в сильных взаимодействиях. Но не наблюдается, менее 0,0000001% от ожидаемого значения.

Почти любое физическое объяснение приводит к существованию новой частицы за пределами Стандартной Модели, которая может быть хорошим кандидатом для решения проблемы темной материи. Но как бы ни делали это, Стандартная Модель не объясняет наблюдаемое отсутствие сильного CP-нарушения; нужна новая физика, чтобы учесть это.

4) Квантовая гравитация: Стандартная модель не претендует на включение в нее силы тяжести/взаимодействия. Но лучшая в настоящее время теория гравитации — Общая теория относительности — не имеет смысла при чрезвычайно большом гравитационном поле или чрезвычайно малых расстояниях; особенности, которые она дает нам, указывают на разрушение физики. Чтобы объяснить, что там происходит, потребуется более полная или квантовая теория гравитации. Остальные три силы квантованы, но, гравитация является обязательной.

Свет, поляризованный особым образом от остатка Большого взрыва, будет указывать на первичные гравитационные волны и эта гравитация по своей сути является квантовой силой.

Инфляция порождает гравитационные волны в квантовом процессе. Проверяя поляризацию света от остатка Большого взрыва до все более высокой точности, физики полны решимости найти ее. Они не могли быть созданы первичными гравитационными волнами, если бы гравитация не была фундаментально квантовой теорией. Чтобы квантовые флуктуации растягивались по всей Вселенной, поле — в данном случае гравитационное — должно быть квантовым.

Это может быть самым фундаментальным из предсказаний вне Стандартной Модели, но по крайней мере есть одна новая частица, при которой гравитация может быть фактически квантована.

5) Бариогенез: Во Вселенной больше материи, чем антивещества. Необязательно существуют какие-либо новые частицы, которые должны существовать для объяснения асимметрии вещества и антивещества, но есть четыре наиболее распространенных способа их получения (GUT, Electroweak, Leptogenesis и Affleck-Dine), только один (Electroweak baryogenesis) необязательно включает в себя существование новых частиц, выходящих за рамки стандартной модели.

Теперь, возможно, что многие из этих проблем связаны, и что могут даже быть только одна или две новые частицы и/или части физики, которые объясняют это. Некоторые возможности включают в себя то, что есть частица, связанная с темной энергией, могут быть магнитные монополи, великое объединение, преоны (более мелкие частицы, составляющие кварки и лептоны), и есть возможность существования частиц из любых дополнительных измерений или суперсимметрия.

Рассмотрим простой атом, состоящий из протонов, нейтронов и электронов. Электрон является полностью стабильной частицей. В то время как свободный нейтрон распадется, свободный протон будет полностью стабильным. Но он необязательно полностью стабилен. Посредством гигантских экспериментов с астрономическим числом атомов определили, что время жизни протона больше, чем минимум 10 ³⁵ лет, что удивительно.

Если протон распадается и имеет период полураспада, который меньше бесконечности, это означает , что есть новые частицы за пределами Стандартной модели. Хотя 83-й элемент периодической таблицы когда-то считался стабильным (по данным на 2003 год) известно, что он распадется с периодом полураспада ~ 10 ^ 19 лет. Но на еще более длительных сроках, возможно, свинец, железо или даже один протон тоже распадутся. Все эти измерения могут указать путь к новым частицам. Но даже если новые частицы, которые должны существовать для подтверждения этих наблюдений, недоступны для коллайдеров частиц (таких как LHC), все еще есть интересные новые открытия, которые ждут нас при высоких энергиях в Стандартной модели. Состояния пентакварка и тетракварка возникают, показывая, что комбинации из трех кварков или из кварка в антикварк — это еще не все.

B-мезоны могут распадаться непосредственно на частицу J / Ψ (psi) и частицу Φ (phi). Ученые CDF обнаружили доказательства того, что некоторые B-мезоны неожиданно распадаются в промежуточную тетракварковую структуру, идентифицированную как частица Y.

Если нет ничего, кроме Стандартной модели, есть одно — это существование глюболов или связанных состояний глюонов. Они должны быть найденыв предстоящих экспериментах с коллайдером частиц. Если они не существуют, то это большая проблема для квантовой хромодинамики или теории сильных взаимодействий, которая является частью Стандартной модели.

Глава 2: Теории за пределами Стандартной модели

Суперсимметрия ( SUSY )

Суперсимметрия, как поняли теоретики в начале 1980-х годов, утверждает, что каждому “фермиону”, который существует в природе — частицы материи, такой как электрон или кварк, которая добавляет к массе Хиггса, — сответствует суперсимметричный “бозон”, или несущая силу частица, которая вычитает из массы Хиггса. Теоретики разрабатывали альтернативные предложения о том, как можно достичь естественности, но суперсимметрия имела дополнительные аргументы в свою пользу: она заставляла силы трех квантовых сил точно сходиться при высоких энергиях, предполагая, что они были объединены в начале Вселенной. И она поставляла инертную, стабильную частицу именно той массы, которая должна была быть темной материей. Суперсимметрия является существенной особенностью в супергравитации, квантовом поле в теории о гравитационной силе и струнной теории, это попытка сделать последовательную квантовую теорию, объединяющую все частицы и силы в природе .

Никто не знает, почему фундаментальные частицы Стандартной модели имеют такие малые массы по сравнению с планковской шкалой, или почему фундаментальные константы не объединяются, или что такое темная материя. Но SUSY обещала найти решение, предсказывая при этом спектр новых частиц. После завершения второго запуска БАК оказалось, что эти частицы находятся не там, где они должны быть. Мечта о том, чтобы решить все эти проблемы с помощью SUSY, исчезла, и теперь целое поколение физиков должно столкнуться с этой реальностью.

SUSY имеет свои истоки, восходящие к ранним дням квантовой механики и проблеме электрона.

Решение заключалось в квантово-механическом существовании антиматерии, в частности позитрона (или антиэлектрона). В квантовой физике вакуум — это не просто пустое, незанятое пространство, а скорее множество виртуальных частиц, которые появляются и исчезают, включая пары электрон-позитрон.

Электрон не только может произвести фотон, чтобы заставить его взаимодействовать с самим собой, но он также может аннигилировать с позитроном в флуктуации электрон-позитронной пары, оставляя только "флуктуационный" электрон позади. Когда проводится расчет, обнаруживается, что эти два вклада почти отменяются, что приводит к крошечному размеру электрона, несмотря на его (относительно) огромный заряд.

Главная идея состоит в том, что это квантовое погашение происходит только потому, что в теории существует симметрия — между материей и антиматерией — которая защищает свойства электрона, позволяя ему иметь совокупные свойства массы, размера и заряда, которые он имеет.

Главная идея SUSY заключается в том, что может существовать дополнительная симметрия — между фермионами и бозонами — которая аналогичным образом защищает свойства материи и позволяет массам частиц быть настолько малыми по сравнению с планковской шкалой. Все, что нужно, — это частица суперпартнера для каждой из существующих частиц Стандартной модели.

Конечно, можно удвоить число известных фундаментальных частиц, создавая двойник частиц суперпартнера (супер-фермион для каждого стандартного модельного бозона; супер-бозон для каждого стандартного модельного фермиона) для каждого известного. Но эта симметрия между фермионами и бозонами теоретически может уменьшить массу этих частиц до тех значений, которые мы наблюдаем.

Если эти новые суперсимметричные частицы поступают примерно в электрослабом масштабе, или между примерно 100 ГэВ и несколькими ТэВ, они также могут:

· создаваться и измеряться при энергиях БАКа,

· быть константой связи трех квантовых сил (электромагнитной, слабой и сильной ядерных сил), объединить их в теоретическом масштабе Великого объединения (GUT),

· и могут создать нейтральную, стабильную суперсимметричную частицу, которая является отличным кандидатом для темной материи Вселенной.

Бозон Хиггса, в частности, должен иметь планковскую массу, а поскольку поле Хиггса связывается с другими частицами, придавая им массу, то и все остальные должны иметь такую же массу. То, что мы наблюдаем его массу всего лишь 1,25 × 1011 эВ/С2, говорит нам о том, что должно быть что-то дополнительное.

На самом деле, каждое из предсказаний SUSY крайне проблематично для физики.

1. Если SUSY — это решение проблемы иерархии, то самые легкие суперпартнеры определенно должны быть доступны БАКу. До сих пор не нашли ни одного, это достаточно для того, чтобы устранить практически все модели SUSY.

2. Сильная сила не может объединиться с другими силами. До сих пор нет никаких доказательств объединения в нашей Вселенной, поскольку эксперименты по распаду протонов оказались неудачными. Первоначальная идея здесь также непрочна: если поместить любые три кривые в логарифмическую шкалу и уменьшить масштаб достаточно сильно, они всегда будут выглядеть как треугольник, где три линии едва ли не сходятся в одной точке.

3. Если темная материя действительно состоит из самой легкой частицы SUSY, то эксперименты, предназначенные для ее обнаружения, такие как CDMS, ксенон, Эдельвейс и другие, должны были бы ее обнаружить. Кроме того, темная материя SUSY должна аннигилировать совершенно особым образом, который еще никто не видел.

Чтобы SUSY решила проблему малой величины массы нужно, чтобы, по крайней мере, одна из сверхчастиц, которые можно создать, была того же порядка величины, что и самые тяжелые частицы Стандартной модели.

Этих частиц просто нет, и в этот момент ограничения массы для них возросли до таких огромных величин, что теоретики больше не могут решить проблему иерархии с помощью одной только SUSY. Вместо этого должен существовать какой-то дополнительный механизм — например, сценарий расщепления SUSY — для объяснения того, почему массы частиц так малы, а массы суперпартнеров так велики.

Если в природе нет SUSY на любом энергетическом уровне, то теория струн, которая ведет к SUSY, не может описать нашу Вселенную.

На сегодняшний день нет никаких экспериментальных доказательств в пользу SUSY.

В последние два года некоторые физики-теоретики начали разрабатывать совершенно новые естественные объяснения массы Хиггса, которые избегают фатализма антропных рассуждений и не полагаются на новые частицы, появляющиеся в БАКе. В ЦЕРНе были обсуждены зарождающиеся идеи, такие как гипотеза релаксации, которая предполагает, что масса Хиггса, вместо того чтобы быть сформированной симметрией, была динамически сформирована рождением вселенной.

Теория струн

Теория струн это исследовательская структура в физике элементарных частиц, которая пытается примирить квантовую механику и общую теорию относительности. Это претендент на Теорию Всего (TOE), способ описания известных фундаментальных сил и материи в математически полной системе. Эта теория еще не сделала новых экспериментальных предсказаний на доступных энергетических масштабах, что привело некоторых ученых к утверждению, что она не может считаться частью науки.

Теория струн в основном утверждает, что электроны и кварки внутри атома-это не 0-мерные объекты, а скорее 1-мерные осциллирующие линии ("струны"). Самая ранняя струнная модель, бозонная струна, включала только бозоны, хотя этот взгляд развился до теории суперструн, которая утверждает, что связь ("суперсимметрия") существует между бозонами и фермионами. Теории струн также требуют существования нескольких дополнительных, ненаблюдаемых измерений Вселенной, в дополнение к четырем известным пространственно-временным измерениям.

Теория берет свое начало в попытке понять сильное взаимодействие, модель двойного резонанса (1969). Впоследствии были разработаны пять различных теорий суперструн, которые включали фермионы и обладали другими свойствами, необходимыми для Теории Всего. С середины 1990-х годов, особенно из-за прозрений из двойственности, показанных для связи пяти теорий, одиннадцатимерная теория, называемая М-теорией, как полагают, охватывает все ранее различные теории суперструн.

Многие физики-теоретики (например, Хокинг, Виттен, Малдасена и Сусскинд) считают, что Теория струн — это шаг к правильному фундаментальному описанию природы. Теория струн допускает последовательное сочетание квантовой теории поля и общей теории относительности, согласуется с общими представлениями о квантовой гравитации (такими как голографический принцип и термодинамика черных дыр), а также потому, что она прошла множество нетривиальных проверок своей внутренней согласованности. В частности, по словам Стивена Хокинга, "М-теория является единственным кандидатом на полную теорию Вселенной." Тем не менее, другие физики (напр. Фейнман и Глэшоу) критиковали теорию струн за то, что она не дает никаких количественных экспериментальных предсказаний.

· Дополнительное измерение

Одно из самых замечательных предсказаний теории струн состоит в том, что пространство-время имеет десять измерений. На первый взгляд, это может рассматриваться как причина для полного отказа от теории, поскольку мы, очевидно, имеем только три измерения пространства и одно-времени. Однако если мы предположим, что шесть из этих измерений свернуты очень плотно, то мы, возможно, никогда не узнаем об их существовании. Кроме того, наличие этих так называемых компактных измерений очень полезно, если теория струн описывает теорию всего. Идея состоит в том, что степени свободы, подобные электрическому заряду электрона, будут тогда возникать просто как движение в сверхкомпактных направлениях.

Принцип, что компактные размеры могут привести к объединению теорий, не является новым, но восходит к 1920-м годам, начиная с теории Калуцы и Клейна. В некотором смысле теория струн является конечной теорией Калуцы-Клейна.

Для простоты обычно предполагается, что дополнительные измерения заключены в шесть кругов. Для получения реалистичных результатов они рассматриваются как завернутые в математические разработки, известные как многообразия Калаби-Яу и Орбифолды.

· От струн до суперструн

Известные в природе частицы классифицируются по их спину на бозоны (целочисленный спин) или фермионы (нечетный полцелочисленный спин). Первые-это те, которые несут силы, например, фотон, который несет электромагнитную силу, глюон, который несет сильную ядерную силу, и Гравитон, который несет гравитационную силу. Последние составляют материю, из которой мы состоим, подобно электрону или кварку. Первоначальная теория струн описывала только частицы, которые были бозонами, следовательно, Бозонная теория струн. Он не описывал фермионы. Так, например, кварки и электроны не были включены в теорию бозонных струн.

Введя суперсимметрию в теорию бозонных струн, мы можем получить новую теорию, описывающую как силы, так и материю, из которых состоит Вселенная. Это и есть теория суперструн.

Теория суперструн

Теория суперструн — это попытка объяснить все частицы и фундаментальные силы природы в одной теории, моделируя их как колебания крошечных суперсимметричных струн. Она считается одной из наиболее перспективных кандидатских теорий квантовой гравитации. Теория суперструн - это сокращенное название суперсимметричной теории струн, потому что в отличие от бозонной теории струн это версия теории струн, которая включает фермионы и суперсимметрию.

Самая глубокая проблема теоретической физики - это гармонизация общей теории относительности, описывающей гравитацию и применимой к крупномасштабным структурам (звездам, галактикам, суперкластерам), с квантовой механикой, описывающей остальные три фундаментальные силы, действующие в атомном масштабе.

Развитие квантовой теории поля силы неизменно приводит к бесконечным (и потому бесполезным) вероятностям. Физики разработали математические методы (перенормировка) для устранения этих бесконечностей, которые работают для трех из четырех фундаментальных сил – электромагнитных, сильных ядерных и слабых ядерных сил — но не для гравитации. Поэтому развитие квантовой теории гравитации должно происходить иными средствами, чем те, которые используются для других сил.

· Дополнительное измерение

Наше физическое пространство имеет только три больших измерения и – вместе со временем как четвертым измерением. Однако ничто не мешает теории включать в себя более 4 измерений, как таковых. В случае теории струн согласованность требует, чтобы пространство-время имело 10, 11 или 26 измерений. Конфликт между наблюдением и теорией разрешается путем компактификации ненаблюдаемых измерений.

Наш ум испытывает трудности с визуализацией высших измерений, потому что мы можем двигаться только в трех пространственных измерениях. Один из способов справиться с этим ограничением – вовсе не пытаться визуализировать высшие измерения, а просто думать о них как о дополнительных числах в уравнениях, описывающих то, как устроен мир. Это открывает вопрос о том, могут ли эти "дополнительные числа" быть исследованы непосредственно в любом эксперименте. Это, в свою очередь, ставит вопрос о том, можно ли считать научными модели, опирающиеся на такое абстрактное моделирование. Шестимерные формы Калаби-Яу могут объяснить дополнительные измерения, требуемые теорией суперструн. Теория утверждает, что каждая точка в пространстве на самом деле является очень малым многообразием, где каждое дополнительное измерение имеет размер порядка планковской длины.

Теория суперструн не первая теория, предлагающая дополнительные пространственные измерения; теория Калуцы-Клейна делала это ранее. Современная теория струн опирается на математику оригами, узлов и топологии, которая была в значительной степени разработана после Калуцы и Клейна, и сделала физические теории, опирающиеся на дополнительные измерения, гораздо более достоверными.

· Число теорий суперструн

Физики-теоретики были обеспокоены существованием пяти отдельных теорий струн. Эта проблема была решена второй революцией суперструн в 1990-х годах, в ходе которой было обнаружено, что пять теорий струн являются различными пределами одной базовой теории: М-теории.

· Интеграция общей теории относительности и квантовой механики

Общая теория относительности обычно имеет дело с ситуациями, связанными с большими массовыми объектами в довольно больших областях пространства-времени, тогда как квантовая механика обычно зарезервирована для сценариев в атомном масштабе (малые области пространства-времени). Эти два метода очень редко используются вместе, и наиболее распространенным случаем их объединения является изучение черных дыр.

Главная проблема с их конгруэнтностью заключается в том, что на субпланковских длинах общая теория относительности предсказывает гладкую, текучую поверхность, в то время как квантовая механика предсказывает случайную, искривленную поверхность, ни одна из которых даже близко не совместима. Теория суперструн решает эту проблему, заменяя классическую идею точечных частиц петлями. Эти петли имеют средний диаметр планковской длины с чрезвычайно малыми отклонениями, что полностью игнорирует квантово-механические предсказания размерного искривления субпланковской длины, поскольку не существует материи, которая имеет субпланковскую длину.

· Обьединение

Существуют три различные теории суперструн, которые имеют смысл, т. е. не показывают никаких математических несоответствий. В двух из них фундаментальным объектом является замкнутая строка, а в третьем-открытые строки являются строительными блоками. Кроме того, смешивая лучшие характеристики бозонной струны и суперструны, мы можем создать две другие непротиворечивые теории струн, Гетеротические теории струн.

Помимо того, что вместо одной существует пять различных, здоровых теорий струн (три суперструны и две гетеротронные струны), была еще одна трудность в изучении этих теорий: не было инструментов для изучения теории по всем возможным значениям параметров.

Это изобилие теорий струн было загадкой: в поиске Теории всего иметь пять из них неоправданно. М-теория была решением проблемы.

М-теория

В теоретической физике М-теория является продолжением теории струн, в которой идентифицируются 11 измерений. Поскольку размерность превосходит размерность теорий суперструн в 10 измерениях, сторонники считают, что 11-мерная теория объединяет все пять теорий струн (и заменяет их). Хотя полное описание этой теории неизвестно, известно, что низкоэнтропийная динамика представляет собой супергравитацию, взаимодействующую с 2 - и 5-мерными мембранами.

Эта идея является уникальной суперсимметричной теорией в одиннадцати измерениях, с ее полностью определенным содержанием вещества с низкой энтропией и взаимодействиями, и может быть получена как предел сильной связи теории струн типа IIA, потому что при увеличении константы связи появляется новое измерение пространства.

Опираясь на работы ряда струнных теоретиков (в том числе Ашока Сена, Криса Халла, пола Таунсенда, Майкла Даффа и Джона Шварца), Эдвард Виттен из Института перспективных исследований предложил его существование на конференции в американском университете в 1995 году и использовал М-теорию для объяснения ряда ранее наблюдавшихся двойственностей, инициировав шквал новых исследований в теории струн, названных второй революцией суперструн.

В начале 1990-х годов было показано, что различные теории суперструн связаны двойственностями, которые позволяют описанию объекта в одной теории суперструн быть связанным с описанием другого объекта в другой теории суперструн. Эти отношения подразумевают, что каждая из теорий суперструн является отдельным аспектом единой базовой теории, предложенной Виттеном и названной "М-теорией".

Первоначально буква М в М-теории была взята из мембраны, конструкции, предназначенной для обобщения струн теории струн. Однако, поскольку Виттен был более скептичен в отношении мембран, чем его коллеги, он выбрал "М-теорию", а не "мембранную теорию". С тех пор Виттен заявил, что интерпретация М может быть делом вкуса для пользователя этого имени.

М-теория (и теория струн) была подвергнута критике за отсутствие предсказательной способности или непроверяемость. Дальнейшая работа продолжается в поисках математических конструкций, которые соединяют различные окружающие теории. Однако ощутимый успех М-теории можно поставить под сомнение, учитывая ее нынешнюю неполноту и ограниченную предсказательную способность.

М-теория объединяет в единую математическую структуру все пять последовательных версий теории струн (а также описание частиц, называемое супергравитацией). Похоже, что каждая из этих теорий находится в разных физических режимах.

М-теория выполняет очень трудную работу по вписыванию гравитации в квантовые законы природы таким образом, что на больших масштабах гравитация выглядит как кривые в структуре пространства-времени, как описал Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности. Каким-то образом кривизна пространства — времени возникает как коллективный эффект квантованных единиц гравитационной энергии-частиц, известных как гравитоны. Но наивные попытки вычислить, как взаимодействуют гравитоны, приводят к бессмысленным бесконечностям, указывая на необходимость более глубокого понимания гравитации.

Теория струн (или, более технически, М-теория) часто описывается как ведущий кандидат на Теорию Всего в нашей Вселенной. Но нет никаких эмпирических доказательств этого или каких-либо альтернативных идей о том, как гравитация может объединиться с остальными фундаментальными силами. Почему же тогда струнная / М-теория получает преимущество над остальными?

Эта теория хорошо известна тем, что гравитоны, как и электроны, фотоны и все остальное, не являются точечными частицами, а скорее незаметно крошечными лентами энергии, или “струнами”, которые вибрируют по-разному. Интерес к теории струн резко возрос в середине 1980-х годов, когда физики поняли, что она дает математически непротиворечивые описания квантованной гравитации. Но все пять известных версий теории струн были “пертурбативными", то есть они разрушались в некоторых режимах. Теоретики могли бы вычислить, что происходит, когда две гравитонные струны сталкиваются при высоких энергиях, но не тогда, когда происходит слияние гравитонов, достаточно сильное, чтобы образовать черную дыру.

Затем, в 1995 году, физик Эдвард Виттен открыл объединение всех теорий струн. Он нашел различные указания на то, что теории пертурбативных струн укладываются вместе в когерентную непертурбативную теорию, которую он назвал М-теорией.

М-теория выглядит как каждая из струнных теорий в различных физических контекстах, но сама по себе не имеет ограничений на свой режим валидности — главное требование для Теории всего. По крайней мере, так предполагали расчеты Виттена. "Виттен мог бы привести эти аргументы, не записывая уравнения М-теории, что впечатляет, но оставляет многие вопросы без ответа”, — объяснил Дэвид Симмонс-Даффин, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института.

Еще один исследовательский взрыв последовал два года спустя, когда физик Хуан Малдасена обнаружил соответствие AdS/CFT: голограммоподобную связь, соединяющую гравитацию в пространственно-временной области, называемой анти-де Ситтерным пространством (AdS), с квантовым описанием частиц (называемой “конформной теорией поля”), движущихся по границе этой области. AdS / CFT дает полное определение М-теории для частного случая пространственно-временных геометрий AdS, которые наполнены отрицательной энергией, которая заставляет их изгибаться иначе, чем наша Вселенная. Для таких воображаемых миров физики могут описать процессы на всех энергиях, включая, в принципе, образование и испарение черных дыр.

Эта последовательность событий привела к тому, что большинство экспертов считают М-теорию ведущим кандидатом на роль Теории всего, хотя ее точное определение в такой Вселенной, как наша, остается неизвестным. Верна ли эта теория-совершенно отдельный вопрос. Струны, которые он постулирует — а также дополнительные, свернутые пространственные измерения, в которых эти струны якобы извиваются, в 10 миллионов миллиардов раз меньше, чем могут решить эксперименты, подобные Большому адронному коллайдеру. И некоторые макроскопические признаки теории, которые можно было бы увидеть, такие как космические струны и суперсимметрия, не проявились.

· Черные дыры в М-теории

Черные дыры уже много лет изучаются в общей теории относительности как конфигурации пространства-времени, соответствующие очень сильным гравитационным полям. Но поскольку мы не можем построить последовательную квантовую теорию на основе GR (General relativity), было поднято несколько вопосов, касающихся микроскопической физики черных дыр. Одна из самых интригующих была связана с энтропией черных дыр. В термодинамике энтропия — это величина, которая измеряет количество состояний системы, которые выглядят одинаково. Черные дыры обладают большой энтропией. Однако никто не знал, какие состояния связаны с энтропией черной дыры. Последние четыре года принесли большое волнение в этой области. Аналогичные методы, применявшиеся для поиска островков М-теории, позволили нам точно объяснить, какие состояния соответствуют энтропии некоторых черных дыр, и объяснить с помощью фундаментальной теории термодинамические свойства, которые были выведены ранее с использованием менее прямых аргументов.

Многие другие проблемы все еще остаются открытыми, но применение теории струн к изучению черных дыр обещает стать одной из самых интересных тем на ближайшие несколько лет.

Дата добавления: 2021-02-10; просмотров: 80; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!