String Теорія для гітаристів

Мета фізики як класична наука – вивчити закони нашого світу. Більшість цих шаблонів вже вивчали достатньо, щоб застосувати до повсякденного життя. А сучасні фізики вирішили змінити масштаб дослідження, як в одному напрямку, так і в іншому.

Розглянемо два фундаментальних фізичні теорії. Перша загальновідома теорія релятивності. Теорія релятивності відповідає питання про походження та розвиток Всесвіту та пояснює масштабну поведінку космосу. Друга, квантова механіка, навпаки, зробила великі паси, пояснюючи фізику мікрокосмії. Поєднайте ці два теорії і отримайте майже повну картину Всесвіту: від міжядерних взаємодій до поведінки галактик.
Тим не менш, є один лов в отриманні єдиної картини світу: ці масштабні теорії, підтверджені багатьма підрахунками і експериментами, повністю несумісні один з одним. Кожна теорія має власні основи, власні математичні та фізичні принципи. Застосування квантової механіки до галактичних взаємодій, як використання теорії релятивності для вивчення ядерних взаємодій, призводить до скорочених результатів. Є лише один спосіб, щоб вийти з нової теорії, яка буде погоджуватися з теорією релятивності та квантової механіки, а також об'єднати їх. Створення єдиної теорії все було основним завданням для фізиків з Ейнштейна. Однією з кандидатів на звання єдиної теорії є теорія рядків.

Історія.
Все почалося, як зазвичай, з математикою. У XVIII столітті відомий математик Леонард Евлер навчав властивості функцій, які він сам придумав. Однією з цих функцій називається функція «Евлер». Це виглядає так:



Це не так складно для людей, які знайомляться з невід'ємною калькулусом. Євген описав властивості функції, і, не знайшов практичного застосування, функція бета була забута протягом двох століть.
У 1968 році молодий фізик, Габріель Венеціано, працює в CERN в Швейцарії, випадково виявляючи, що всі властивості частинок, що беруть участь в ядерній взаємодії, можна описати за допомогою функції Euler beta. Формула добре працювала для опису взаємодій частинок, але ніхто не зрозумілий чому. Якщо ми приймаємо знамениту формулу Ейнштейна, то його фізичне значення може бути виражене фразою «енергія пропорційна масі». Формула Евлера не мала фізичного значення - тільки змінні, при призначенні певних значень, результат, що відповідає експерименту. Через два роки цей зміст був знайдений – фізики виявили, що якщо замінити елементарні частинки з коливанням одновимірних рядків, взаємодія таких рядків точно представлена формулою Euler. Одновимірність означає, що товщина такої нитки в порівнянні з довжиною нескінченно.

р.



Оскільки рядки досить дрібні, вони виглядають як елементарні частинки, тому не суперечать проведеним експериментам. Тепер теорія рядка змінила багато з оригінальної форми, але основна ідея залишається однаковою.

Стрінги як механізм Всесвіту
280522,2 км

Ця картина досить добре зображує уявлення типового лежача про теорію рядка. По суті, все рівно протилежне: теорія рядка випливає все, він відмінно погоджується з квантовою механікою і теорія релятивності. Крім цього, теорія також знаходить роз'яснення для тяжіння, яка була затребувана з часів Ньютона. Ця універсальність зважує деякі з абсурдності ідеї, що все питання складається з крихітних рядків.
Для того, щоб пояснити основну ідею теорії рядків, можна представити одновимірні рядки у вигляді рядків музичних інструментів, знайомих нам. Візьміть, наприклад, гітара. При коливання кожного рядка має два важливі властивості:
1,1 км Амплітуда, відповідальна за обсяг звуку.
2,2 км Частота, яка визначає крок звуку.
Звуки, частоти яких залежать від 1 Гц, практично непомітні для вуха людини. Чим більша частота звуку, тим менш допустимі зміни цієї частоти. Тому в музиці частотна відмінність сусідніх нот варіюється від 1 Гц для низьких звуків до декількох сотень герц для високих звуків. В цілому для виконання музичних творів ми отримуємо лише певну обмежену кількість частот, що відповідають отриманим нотам. Ми можемо грати в mi в 330 Гц або фа на 349 Гц, але частоти між ними в музиці не доступні для нас. Цей особливий вид коливань називається модою, а сумарність всіх можливих режимів називається спектром коливань.
Від обсягу звуку і режиму його коливань залежить енергія вібрації. Неприємно, ви можете зрозуміти, що гучний і високий звук має більше енергії, ніж тихий і низький. Тепер поставте нашу гітару в руках Ейнштейна, який помітить, що енергія фактично пропорційна масі. У рядковій теорії використовуються такі взаємозв'язки: маса елементарних частинок визначається енергією коливань її рядка.
Використання більш абстрактних причин, фізики виявили, що існують інші з'єднання між режимом рядка та особливостями частинки, такі як заряд, відповідь частинок до гравітаційного впливу тощо. Крім того, такий же принцип не тільки для властивостей частинок, але і для самих частинок. Фотон, глюкони, u-mesons та інші екзотичні частинки просто різні режими коливань однакових рядків.
Це призводить до наступного висновку: знаючи всі можливі режими коливання рядка, «примітки», які можна грати на ньому, ми можемо пояснити всі властивості всіх елементарних частинок. Це серйозне застосування для єдиної теорії поля, це не так?

Nine-вимірна гітара
р.

Давайте подивимося на нашу гітару з боку гітариста. Дизайн гітари дозволяє струнким коливанням тільки в певних напрямках. Ви можете вдарити рядки з верхньої частини або нижньої частини, або відтягнути рядок від себе і дати йти. Якщо рядок було закріплено між двома точками вільного 3-вимірного простору, кількість можливих напрямків коливань підвищиться. З більшістю розмірів, ніж три, ми також збільшимо кількість можливих напрямків коливань. Однак, ми суворо обмежені трьома розмірами.
Але не в теорії рядка. У подальших дослідженнях виникла нова проблема: деякі розрахунки призвели до неможливих результатів, таких як негативна ймовірність. Фізіологи боролися з цією проблемою протягом тривалого часу і знайшли рішення, з якою всі розрахунки були послідовні: Всесвіт повинен мати десять розмірів – дев'ять просторових і один часових.
Якщо часовий вимір якось переглянуто, де ми отримуємо ще шість розмірів, які ми не можемо навіть уявити? Ці шість вимірювань вигнуті – вони настільки дрібні, що на звичайному масштабі ми не можемо врахувати їх. Автомобіль, який зробив коло, повернеться до тих же координат в тривимірному просторі. Під час цього кола він перехрестить шість складлених розмірів незлічених часів. Тим не менш, за дуже дрібні рядки, координати в розмірах обрізки починають приймати на серйозне значення.

Що далі?
Розвиток теорії рядків не можна зупинити. Об'ємна теорія називається надрядкова теорія. При виникненні міркувань знову незгодити, введено новий, одинадцятий вимір. Так M-theory з'явилася: згадка ниток зникне з назви, так як аналоги двовимірних ниток з'явилися - мембрани, об'ємні, чотиривимірні нитки. Склад теорії зростає щороку, але поки її розвиток не досягло мертвого кінця, і має кожен шанс на один день стати єдиною теорією всього.

Чи знаєте?
1. Стівен Гокінг, «Список історії часу», «Світ в хукеті», «Теорія всього» – популярна мова розповідає про сучасну картину світу.
2. Брайан Грін, Витончений Всесвіт. Суперрядки, приховані розміри і Квест для остаточної теорії є великою книгою на теорії рядків без зайвої фізики.
3. У Мічіо Каку, Вступ до Superstring Theory, є серйозним підручником для тих, хто знає фізики і хоче дізнатися більше.

Джерело: habrahabr.ru/post/219657/