Ecologia do conhecimento: o mais um grande problema físicos teóricos - como combinar todas as interações fundamentais (gravitacional, eletromagnética, fraca e forte) em uma única teoria. A teoria das supercordas apenas afirma ser a teoria de tudo

Contando de três a dez

O maior problema para os físicos teóricos é como combinar todas as interações fundamentais (gravitacional, eletromagnética, fraca e forte) em uma única teoria. A teoria das supercordas apenas afirma ser a Teoria de Tudo.

Mas descobriu-se que o número mais conveniente de dimensões necessárias para a operação dessa teoria é de até dez (nove das quais são espaciais e uma é temporal)! Se houver mais ou menos dimensões, equações matemáticas dar resultados irracionais que vão ao infinito - singularidade.

O próximo estágio no desenvolvimento da teoria das supercordas - a teoria M - já contou onze dimensões. E outra versão dela - teoria F - todas as doze. E não é nenhuma complicação. A teoria F descreve o espaço de 12 dimensões mais equações simples do que a teoria M - 11-dimensional.

É claro que a física teórica é chamada de teórica por uma razão. Todas as suas conquistas até agora existem apenas no papel. Então, para explicar por que só podemos nos mover no espaço tridimensional, os cientistas começaram a falar sobre como as infelizes outras dimensões tiveram que encolher em esferas compactas em nível quântico. Para ser preciso, não em esferas, mas em espaços de Calabi-Yau. Essas são figuras tridimensionais, dentro das quais existe seu próprio mundo com sua própria dimensão. Uma projeção bidimensional de variedades semelhantes se parece com isso:

Mais de 470 milhões dessas figuras são conhecidas. Qual deles corresponde à nossa realidade, em este momentoé calculado. Não é fácil ser um físico teórico.

Sim, parece um pouco exagerado. Mas talvez isso explique por que o mundo quântico é tão diferente do que percebemos.

Período, ponto, vírgula

Recomeçar. A dimensão zero é um ponto. Ela não tem tamanho. Não há para onde se mover, não são necessárias coordenadas para indicar a localização em tal dimensão.

Vamos colocar um segundo ponto ao lado do primeiro e desenhar uma linha através deles. Aqui está a primeira dimensão. Um objeto unidimensional tem um tamanho - comprimento, mas nenhuma largura ou profundidade. O movimento dentro da estrutura do espaço unidimensional é muito limitado, porque o obstáculo que surgiu no caminho não pode ser contornado. Para determinar a localização neste segmento, você precisa apenas de uma coordenada.

Vamos colocar um ponto ao lado do segmento. Para encaixar esses dois objetos, já precisamos de um espaço bidimensional que tenha comprimento e largura, ou seja, área, mas sem profundidade, ou seja, volume. A localização de qualquer ponto neste campo é determinada por duas coordenadas.

A terceira dimensão surge quando adicionamos um terceiro eixo de coordenadas a este sistema. É muito fácil para nós, os habitantes do universo tridimensional, imaginar isso.

Vamos tentar imaginar como os habitantes do espaço bidimensional veem o mundo. Por exemplo, aqui estão essas duas pessoas:

Cada um deles verá seu amigo assim:

E com este layout:

Nossos heróis vão se ver assim:

É a mudança de ponto de vista que permite que nossos heróis julguem uns aos outros como objetos bidimensionais, em vez de segmentos unidimensionais.

E agora vamos imaginar que um certo objeto tridimensional se move na terceira dimensão, que atravessa este mundo bidimensional. Para um observador externo, esse movimento será expresso em uma mudança nas projeções bidimensionais do objeto em um plano, como brócolis em uma máquina de ressonância magnética:

Mas para o habitante de nossa Flatland, tal imagem é incompreensível! Ele nem consegue imaginá-la. Para ele, cada uma das projeções bidimensionais será vista como um segmento unidimensional com um comprimento misteriosamente variável, aparecendo em um lugar imprevisível e também desaparecendo de forma imprevisível. As tentativas de calcular o comprimento e o local de ocorrência de tais objetos usando as leis da física do espaço bidimensional estão fadadas ao fracasso.

Nós, os habitantes do mundo tridimensional, vemos tudo em duas dimensões. Somente o movimento de um objeto no espaço nos permite sentir seu volume. Também veremos qualquer objeto multidimensional como bidimensional, mas será milagrosamente mudar dependendo da nossa localização com ele ou tempo.

Deste ponto de vista, é interessante pensar, por exemplo, na gravidade. Todo mundo já deve ter visto fotos assim:

É costume descrever como a gravidade dobra o espaço-tempo. Curvas... onde? Exatamente não em nenhuma das dimensões familiares para nós. MAS tunelamento quântico, ou seja, a capacidade de uma partícula desaparecer em um lugar e aparecer em outro completamente diferente, aliás, atrás de um obstáculo pelo qual, em nossas realidades, ela não poderia penetrar sem fazer um buraco nele? E os buracos negros? E se todos esses e outros mistérios Ciência moderna explicada pelo fato de que a geometria do espaço não é a mesma que estamos acostumados a percebê-la?

O tempo está passando

O tempo adiciona mais uma coordenada ao nosso Universo. Para que a festa aconteça, você precisa saber não só em qual bar ela vai acontecer, mas também tempo exato este evento.

Com base em nossa percepção, o tempo não é tanto uma linha reta quanto um raio. Ou seja, ele tem O ponto de partida, e o movimento é realizado apenas em uma direção - do passado para o futuro. E só o presente é real. Nem o passado nem o futuro existem, assim como os cafés da manhã e os jantares não existem do ponto de vista de um funcionário de escritório na hora do almoço.

Mas a teoria da relatividade não concorda com isso. Do ponto de vista dela, o tempo é uma dimensão valiosa. Todos os eventos que existiram, existem e continuarão a existir são igualmente reais, tão reais quanto uma praia de mar, não importa onde exatamente os sonhos do som das ondas nos pegaram de surpresa. Nossa percepção é apenas algo como um holofote que ilumina um determinado segmento na linha do tempo. A humanidade em sua quarta dimensão se parece com isso:

Mas vemos apenas uma projeção, uma fatia dessa dimensão em cada momento individual do tempo. Sim, sim, como brócolis em uma máquina de ressonância magnética.

Até agora, todas as teorias trabalharam com um grande número de dimensões espaciais, e o tempo sempre foi o único. Mas por que o espaço permite múltiplas dimensões para o espaço, mas apenas uma vez? Até que os cientistas possam responder a essa pergunta, a hipótese de dois ou mais espaços temporários parecerá muito atraente para todos os filósofos e escritores de ficção científica. Sim, e os físicos, o que já está lá. Por exemplo, o astrofísico americano Itzhak Bars vê a raiz de todos os problemas com a Teoria de Tudo como a segunda dimensão do tempo, que foi negligenciada. Como exercício mental Vamos tentar imaginar um mundo com dois tempos.

Cada dimensão existe separadamente. Isso se expressa no fato de que, se alterarmos as coordenadas de um objeto em uma dimensão, as coordenadas em outras podem permanecer inalteradas. Então, se você se mover ao longo de um eixo de tempo que cruza outro em um ângulo reto, então, no ponto de interseção, o tempo parará. Na prática, ficará mais ou menos assim:

Tudo o que Neo tinha que fazer era colocar seu eixo de tempo unidimensional perpendicular ao eixo de tempo das balas. Uma verdadeira ninharia, concordo. Na verdade, tudo é muito mais complicado.

O tempo exato em um universo com duas dimensões de tempo será determinado por dois valores. É difícil imaginar um evento bidimensional? Ou seja, um que se estende simultaneamente ao longo de dois eixos de tempo? É provável que tal mundo exija especialistas em mapeamento de tempo, assim como cartógrafos mapeiam a superfície bidimensional do globo.

O que mais distingue um espaço bidimensional de um unidimensional? A capacidade de contornar um obstáculo, por exemplo. Isso está completamente além dos limites de nossa mente. Um habitante de um mundo unidimensional não pode imaginar como é virar uma esquina. E o que é isso - um ângulo no tempo? Além disso, em espaço bidimensional Você pode viajar para frente, para trás ou até mesmo na diagonal. Não faço ideia de como é ir diagonalmente no tempo. Não estou falando do fato de que o tempo é a base de muitas leis físicas, e como a física do Universo mudará com o advento de outra dimensão do tempo é impossível de imaginar. Mas é tão emocionante pensar nisso!

Enciclopédia muito grande

Outras dimensões ainda não foram descobertas, e existem apenas em modelos matemáticos. Mas você pode tentar imaginá-los assim.

Como descobrimos anteriormente, vemos uma projeção tridimensional da quarta dimensão (temporal) do Universo. Em outras palavras, cada momento da existência do nosso mundo é um ponto (semelhante à dimensão zero) no intervalo de tempo do Big Bang ao Fim do Mundo.

Aqueles de vocês que leram sobre viagem no tempo sabem o que papel importante a curvatura do continuum espaço-tempo joga neles. Esta é a quinta dimensão - é nela que o espaço-tempo quadridimensional “se dobra” para aproximar dois pontos dessa linha reta. Sem isso, a viagem entre esses pontos seria muito longa, ou mesmo impossível. Grosso modo, a quinta dimensão é semelhante à segunda - ela move a linha "unidimensional" do espaço-tempo para o plano "bidimensional" com todas as consequências na forma da capacidade de virar a esquina.

Nossos leitores de mente especialmente filosófica, um pouco antes, provavelmente pensaram na possibilidade livre arbítrio em condições onde o futuro já existe, mas ainda não é conhecido. A ciência responde a essa pergunta assim: probabilidades. O futuro não é uma vara, mas uma vassoura inteira de opções desenvolvimento de eventos. Qual deles se tornará realidade - descobriremos quando chegarmos lá.

Cada uma das probabilidades existe como um segmento "unidimensional" no "plano" da quinta dimensão. Qual é a maneira mais rápida de pular de um segmento para outro? Isso mesmo - dobre este avião como uma folha de papel. Onde dobrar? E novamente, corretamente - na sexta dimensão, que dá tudo isso estrutura complexa"volume". E assim faz como espaço tridimensional, "terminado", um novo ponto.

A sétima dimensão é uma nova linha reta, que consiste em "pontos" de seis dimensões. Qual é qualquer outro ponto nesta linha? Todo o conjunto infinito de opções para o desenvolvimento de eventos em outro universo, formado não como resultado do Big Bang, mas em outras condições, e agindo de acordo com outras leis. Ou seja, a sétima dimensão são contas de mundos paralelos. A oitava dimensão reúne essas "linhas retas" em um "plano". E a nona pode ser comparada a um livro que contém todas as "folhas" da oitava dimensão. É a totalidade de todas as histórias de todos os universos com todas as leis da física e todas as condições iniciais. Aponte novamente.

Aqui chegamos ao limite. Para imaginar a décima dimensão, precisamos de uma linha reta. E que outro ponto dessa linha reta pode haver se a nona dimensão já cobre tudo o que pode ser imaginado, e até o que não pode ser imaginado? Acontece que a nona dimensão não é outro ponto de partida, mas o último – para nossa imaginação, em todo caso.

A teoria das cordas afirma que é na décima dimensão que as cordas, as partículas básicas que compõem tudo, fazem suas vibrações. Se a décima dimensão contém todos os universos e todas as possibilidades, então as cordas existem em todos os lugares e o tempo todo. Quero dizer, cada corda existe em nosso universo, e todas as outras. A qualquer momento. Imediatamente. Legal, sim? Publicados

A teoria da relatividade apresenta o Universo como “plano”, mas a mecânica quântica diz que no nível micro há um movimento infinito que dobra o espaço. A teoria das cordas combina essas ideias e apresenta micropartículas como consequência da união das cordas unidimensionais mais finas, que se parecerão com micropartículas pontuais, portanto, não podem ser observadas experimentalmente.

Essa hipótese nos permite imaginar as partículas elementares que compõem o átomo a partir de fibras ultramicroscópicas chamadas cordas.

Todas as propriedades partículas elementares são explicados pela vibração ressonante das fibras que os formam. Essas fibras podem fazer conjunto infinito opções de vibração. Esta teoria envolve a unificação de ideias mecânica quântica e a teoria da relatividade. Mas devido à presença de muitos problemas em confirmar os pensamentos subjacentes o máximo de os cientistas modernos acreditam que as ideias propostas nada mais são do que a mais ordinária profanação, ou seja, teoria das cordas para manequins, ou seja, para pessoas que desconhecem completamente a ciência e a estrutura do mundo ao seu redor.

Propriedades das fibras ultramicroscópicas

Para entender sua essência, pode-se imaginar as cordas instrumentos musicais- eles podem vibrar, dobrar, enrolar. O mesmo acontece com esses fios, que, emitindo certas vibrações, interagem entre si, dobram-se em laços e formam partículas maiores (elétrons, quarks), cuja massa depende da frequência de vibração das fibras e de sua tensão - esses indicadores determine a energia das cordas. Quanto maior a energia irradiada, maior a massa da partícula elementar.

Teoria da inflação e cordas

De acordo com a hipótese inflacionária, o Universo foi criado devido à expansão do microespaço, do tamanho de uma corda (comprimento de Planck). À medida que essa região crescia, os chamados filamentos ultramicroscópicos também se esticavam, agora seu comprimento é compatível com o tamanho do Universo. Eles interagem entre si da mesma maneira e produzem as mesmas vibrações e vibrações. Parece que o efeito que eles produzem lentes gravitacionais que distorcem os raios de luz de galáxias distantes. MAS lançando gerar radiação gravitacional.

Falha matemática e outros problemas

Um dos problemas é a inconsistência matemática da teoria - os físicos que a estudam não têm fórmulas suficientes para trazê-la a uma forma completa. E a segunda é que esta teoria acredita que existem 10 dimensões, mas sentimos apenas 4 - altura, largura, comprimento e tempo. Os cientistas sugerem que os 6 restantes estão em um estado torcido, cuja presença não é sentida em tempo real. Além disso, o problema não é a possibilidade de confirmação experimental dessa teoria, mas também ninguém pode refutá-la.

Uma das direções em física Teórica, que combina as ideias da teoria da relatividade e da mecânica quântica. Esta direção física está estudando cordas quânticas- isto é, objetos estendidos unidimensionais. Esta é a sua principal diferença de muitos outros ramos da física em que a dinâmica das partículas pontuais é estudada.

Em sua essência, a Teoria das Cordas nega e afirma que o universo sempre existiu. Ou seja, o Universo não era um ponto infinitamente pequeno, mas uma corda com um comprimento infinitesimal, enquanto a teoria das cordas diz que vivemos em um espaço de dez dimensões, embora sintamos apenas 3-4. O resto existe em um estado de colapso, e se você decidir fazer a pergunta: “Quando eles se desdobrarão e isso acontecerá?”, então você não receberá uma resposta.

A matemática simplesmente não o encontrou - teoria das cordas impossível provar empiricamente. É verdade que tem havido tentativas de desenvolver uma teoria universal para que possa ser testada na prática. Mas para que isso aconteça, deve ser simplificado de forma que alcance nosso nível de percepção da realidade. Então a ideia de checar perde completamente o significado.

Critérios e Conceitos Básicos da Teoria das Cordas

A teoria da relatividade diz que nosso universo é um plano, e a mecânica quântica diz que no nível micro há um movimento infinito, devido ao qual o espaço é curvo. E a teoria das cordas tenta combinar essas duas suposições e, de acordo com ela, as partículas elementares são representadas como componentes especiais na composição de cada átomo - as cordas originais, que são uma espécie de fibras ultramicroscópicas. Ao mesmo tempo, as partículas elementares têm propriedades que explicam oscilação ressonante as fibras que formam essas partículas. Esses tipos de fibras realizam vibrações em um número infinito.

Para uma compreensão mais precisa da essência, um simples leigo pode imaginar as cordas de instrumentos musicais comuns que podem tempo diferente esticar, enrolar com sucesso, vibrar constantemente. As roscas que interagem umas com as outras em determinadas vibrações têm as mesmas propriedades.

Rolando em laços padrão, os fios formam tipos maiores de partículas - quarks, elétrons, cuja massa já dependerá diretamente do nível de tensão e frequência de vibração das fibras. Portanto, a energia da corda está correlacionada com esses critérios. A massa das partículas elementares será maior em mais energia irradiada.

Problemas Atuais na Teoria das Cordas

Ao estudar a teoria das cordas, cientistas de muitos países encontraram periodicamente vários problemas e questões não resolvidas. pelo mais ponto importante pode ser considerado uma desvantagem. fórmulas matemáticas, portanto, os especialistas ainda não conseguiram dar à teoria uma forma completa.

O segundo problema significativo é a confirmação pela essência da teoria da presença de 10 dimensões, quando na verdade podemos sentir apenas 4 delas. Presumivelmente, os 6 restantes existem em um estado torcido, e não é possível senti-los em tempo real. Portanto, embora a refutação da teoria seja fundamentalmente impossível, confirmação experimental até agora também parece bastante difícil.

Ao mesmo tempo, o estudo da teoria das cordas tornou-se um claro impulso para o desenvolvimento de construções matemáticas originais, bem como da topologia. Física com ela direções teóricas firmemente enraizado na matemática também com a ajuda da teoria em estudo. Além disso, a essência da modernidade gravidade quântica e os assuntos foram capazes de entender completamente, começando a estudar muito mais profundamente do que era possível antes.

Portanto, a pesquisa da teoria das cordas continua ininterrupta, e o resultado de vários experimentos, incluindo testes no Grande Colisor de Hádrons, podem ser os conceitos e elementos que faltam. Neste caso, a teoria física será um fenômeno absolutamente comprovado e geralmente aceito.

Principais perguntas:

Quais são os componentes fundamentais do Universo - os "primeiros tijolos de matéria"? Existem teorias que podem explicar todos os fenômenos físicos básicos?

Pergunta: é real?

Hoje e no futuro previsível, a observação direta em uma escala tão pequena não é possível. A física está em busca, e experimentos em andamento, por exemplo, para detectar partículas supersimétricas ou buscar dimensões extras em aceleradores, podem indicar que a teoria das cordas está no caminho certo.

Se a teoria das cordas é a teoria de tudo ou não, ela nos dá conjunto único ferramentas que permitem que você veja as estruturas profundas da realidade.

Teoria das cordas

Macro e micro

Ao descrever o Universo, a física o divide em duas metades aparentemente incompatíveis - o microcosmo quântico e o macrocosmo, dentro do qual a gravidade é descrita.

A teoria das cordas é uma tentativa controversa de combinar essas metades em uma "Teoria de Tudo".

Partículas e interações

O mundo é feito de dois tipos de partículas elementares - férmions e bósons. Os férmions são todos matéria observável, e os bósons são portadores das quatro interações fundamentais conhecidas: fraca, eletromagnética, forte e gravitacional. Dentro de uma teoria chamada Modelo Padrão, os físicos conseguiram descrever e testar elegantemente as três forças fundamentais, todas menos a mais fraca, a gravitacional. Até o momento, o Modelo Padrão é o modelo mais preciso e confirmado experimentalmente do nosso mundo.

Por que a teoria das cordas é necessária

O Modelo Padrão não inclui gravidade, não pode descrever o centro de um buraco negro e Big Bang não explica os resultados de alguns experimentos. A teoria das cordas é uma tentativa de resolver esses problemas e unificar a matéria e as interações substituindo partículas elementares por minúsculas cordas vibrantes.

A teoria das cordas baseia-se na ideia de que todas as partículas elementares podem ser representadas como um "primeiro tijolo" elementar - uma corda. As cordas podem vibrar e moda diferente tais flutuações a uma grande distância nos parecerão várias partículas elementares. Um modo de vibração fará com que a corda pareça um fóton, o outro fará com que pareça um elétron.

Existe até um mod que descreve o portador da interação gravitacional - o gráviton! Versões da teoria das cordas descrevem cordas de dois tipos: abertas (1) e fechadas (2). As cordas abertas têm duas extremidades (3) localizadas em estruturas semelhantes a membranas chamadas D-branas, e sua dinâmica descreve três das quatro interações fundamentais- tudo menos gravidade.

As cordas fechadas se assemelham a laços, não estão ligadas a D-branas - são os modos vibracionais de cordas fechadas que são representados por um gráviton sem massa. As extremidades de uma corda aberta podem ser conectadas para formar uma corda fechada, que, por sua vez, pode quebrar, tornando-se uma corda aberta, ou se unir e se dividir em duas cordas fechadas (5) - assim na teoria das cordas interação gravitacional junta-se a todos os outros

As cordas são o menor de todos os objetos sobre os quais a física opera. A faixa de tamanho V dos objetos mostrados na imagem acima se estende por 34 ordens de magnitude - se um átomo fosse do tamanho de sistema solar, então o tamanho da corda pode ser ligeiramente maior que o núcleo atômico.

Medições adicionais

Teorias de cordas consistentes só são possíveis no espaço de dimensão superior, onde, além das conhecidas 4 dimensões do espaço-tempo, são necessárias 6 dimensões adicionais. Os teóricos acreditam que essas dimensões extras são dobradas em formas imperceptivelmente pequenas - espaços de Calabi-Yau. Um dos problemas da teoria das cordas é que há um número quase infinito de variantes da convolução de Calabi-Yau (compactação) que podem descrever qualquer mundo, e até agora não há como encontrar a variante da compactação Qi que permitiria descrever isso que vemos por aí.

supersimetria

A maioria das versões da teoria das cordas requer o conceito de supersimetria, que se baseia na ideia de que férmions (matéria) e bósons (interações) são manifestações do mesmo objeto e podem se transformar um no outro.

Teoria de tudo?

A supersimetria pode ser incluída na teoria das cordas 5 jeitos diferentes, o que leva a 5 Vários tipos teoria das cordas, o que significa que a própria teoria das cordas não pode reivindicar ser a "teoria de tudo". Todos esses cinco tipos estão interconectados por transformações matemáticas chamadas dualidades, e isso levou ao entendimento de que todos esses tipos são aspectos de algo mais geral. Essa teoria mais geral é chamada de Teoria-M.

5 formulações diferentes da teoria das cordas são conhecidas, mas após um exame mais detalhado, verifica-se que todas elas são manifestações de mais teoria geral

Este blog contém um trecho de um artigo de um dos maiores especialistas na área de combinar todas as interações físicas dentro de teoria unificada, laureado premio Nobel Steven Weinberg, onde ele populariza problemas fundamentais física moderna de alta energia. As notas estão em itálico. É possível que a presença de fórmulas confunda alguém, se tal desejo surgir, simplesmente não mergulhe nelas, mas leia o texto.

Níveis da estrutura do mundo: 1. Nível macroscópico - substância 2. Nivel molecular 3. Nível atômico - prótons, nêutrons e elétrons 4. Nível subatômico - elétron 5. Nível subatômico - quarks 6. Nível das cordas

A maioria dos físicos teóricos chegou à conclusão de que as versões da teoria quântica de campos para os campos forte, eletromagnético e interações fracasé apenas uma aproximação de baixa energia para uma teoria mais profunda e avançada. Há duas indicações de que a simplicidade das leis da natureza só pode ser revelada quando altas energias na faixa de 10 15 – 10 19 GeV. Um deles é o seguinte. Se observarmos o que acontece com as constantes de acoplamento das interações eletrofracas e fortes em energias muito mais altas do que aquelas em que são medidas hoje, descobriremos que seus valores se aproximam e se tornam iguais entre si em energias de aproximadamente quinze ordens de magnitude maior que a massa de um próton (10 15 GeV). Além disso, o valor da constante gravitacional, responsável pela ocorrência de divergências na teoria da gravidade, em unidades físicasé (10 19 GeV) -2 . Tudo isso sugere que, se pudéssemos experimentar em energias muito altas, poderíamos realmente descobrir uma foto simples um mundo em que todas as teorias se fundem em uma só e que, talvez, nos dê até a sensação de inevitabilidade fatal que tanto ansiamos por alcançar.

A unificação da gravidade com outras interações ainda está associada a uma série de dificuldades. A razão é que qualquer teoria quântica que opera em objetos pontuais contém divergências em energias acima da escala de Planck. A escala ou massa de Planck representa a energia na qual surge a necessidade de uma teoria quântica da gravidade. Isso acontece quando o raio de Schwarzschild é:

R= 2Gm/s 2, (1.12a)

onde m é o peso corporal;

G é a constante gravitacional e o comprimento de onda de Compton

l=h //(mc)(1.12b)

tornam-se valores da mesma ordem. Ou seja, quando muito alta densidade massa está concentrada em um volume muito pequeno. Uma descrição razoável em tais escalas pode ser obtida aplicando-se tanto a relatividade geral quanto a teoria quântica. Igualando l a R de (1.12a) e (1.12b), obtemos

m P l \u003d (hc / G)? ? 1,2?10 19 GeV,

que corresponde ao comprimento e tempo de Planck:

l P l \u003d \u003d (h G / c 3)? ? 1,6 × 10 - 33 cm; t Pl? 5.4? 10 - 44 p.

Olhando para o futuro, notamos que a Álgebra das Assinaturas é construída sobre princípios iniciais um pouco diferentes e não compartilha as preocupações das teorias quânticas modernas. Do ponto de vista da Álgebra das Assinaturas, a geometria diferencial subjacente a GR é aplicável não só para objetos espaciais e para processos que procedem nas escalas de comprimento de Planck, mas também para muitos outros níveis de organização da Natureza, levando em consideração várias modificações de geometrias diferenciais absolutas adaptadas a características a escala de comprimento descrita. Em contraste com a doutrina agora dominante de quantizar GR e alinhá-la com esquemas de campo quântico bem estabelecidos, Alsigna adere aos pontos de vista daqueles agora raros cientistas que não abandonam as tentativas de encaixar a física kantiana na estrutura da GR modificada. Neste parágrafo, estamos preocupados apenas com o fato de darmos a opinião de um dos principais especialistas em situação atual casos na vanguarda da física oficial.

Arroz. 1.17. Diagrama que descreve uma das contribuições para o processo de transformar duas partículas em três partículas

Até agora, não temos a oportunidade de nos elevar a tais energias. Apesar disso, por vários anos recentes Os físicos teóricos ficaram extremamente entusiasmados com a ideia de que os constituintes fundamentais da natureza em energias de 10 15 – 10 19 GeV não são campos ou partículas, mas cordas. Para simplificar a discussão deste assunto, mencionaremos aqui apenas um tipo de string. Uma corda desse tipo é um pequeno laço que quebra a continuidade do espaço-tempo, um pequeno defeito no espaço-tempo, dobrado em um anel. A corda tem tensão e pode vibrar como uma corda regular. As vibrações da corda formam uma sequência infinita de modos normais, cada um dos quais corresponde a certo tipo partículas. A partícula mais leve corresponde ao modo mais baixo da corda, a partícula mais pesada corresponde ao modo seguinte e assim por diante.A interação entre as partículas parece como se esses anéis se fundissem e depois divergissem novamente. Este processo pode ser descrito usando uma superfície, pois ao se mover no espaço-tempo, a corda varre a superfície do mundo bidimensional (tubo). A interação entre as partículas é representada como uma superfície do mundo bidimensional, que pode se dividir e recombinar, absorvendo os "anéis" que estavam no estado inicial e emitindo "anéis" correspondentes ao estado final. Por exemplo, um processo de espalhamento no qual havia duas partículas no estado inicial e três no estado final será descrito por uma superfície que entra em dois tubos longos (descrevendo as partículas no estado inicial) e da qual saem três tubos longos ( descrevendo as partículas no estado final). Esta própria superfície pode ter uma topologia bastante complexa (Fig. 1.17).

Uma superfície pode ser descrita especificando uma grade de coordenadas sobre ela. Como a superfície é bidimensional, a posição ponto arbitrário sobre ele é dado por duas coordenadas, que podem ser denotadas como? 1 e? 2 . Agora precisamos indicar de alguma forma onde um ponto arbitrariamente escolhido na corda está em um determinado momento. Para fazer isso, você precisa definir uma regra que corresponda a cada ponto? = (? 1 , ? 2) no ponto de superfície Xm no espaço-tempo. Matematicamente, esta regra é escrita como Xm = xm (? 1 ,? 2). A geometria de uma superfície é determinada pela métrica dada nela. Como no caso da relatividade geral, a métrica é dada pelo tensor métrico qumab(?), cujos elementos dependem das coordenadas; como estamos lidando com uma superfície bidimensional, os índices a e b pode assumir os valores igual a um ou um empate. A métrica determina como a distância entre dois pontos infinitamente próximos é calculada? e ?+d? em uma superfície:

d? = [qumab(?) d? umad? b] ? . (1.13)

De acordo com os princípios da mecânica quântica na interpretação de Feynman, para calcular a amplitude de probabilidade (este é o mesmo valor que deve ser elevado ao quadrado para obter a probabilidade do processo), você precisa somar as amplitudes para todos maneiras possíveis transição do estado inicial para o final. Na teoria das cordas, deve-se somar todas as superfícies bidimensionais que descrevem Este processo. Cada superfície é dada por duas funções Xm = xm (? ) e qumab(?) que foram definidos acima. Tudo o que resta a ser feito para calcular a probabilidade é encontrar para cada superfície o valor da quantidade EU [X,q], e depois soma e-I[x,q ], em todas as superfícies. Funcional EU[X, q] é chamado de ação, é funcionalmente dependente de Xm = xm (?) e qumab(?) e é definido pela expressão:

De fato, deve haver mais um termo aqui, que é necessário para definir a escala relativa das várias ordens da teoria de perturbação.

O vivo interesse pelas cordas deve-se ao fato de que elas possibilitaram pela primeira vez construir uma teoria da gravidade sem as divergências que surgiram em primeiras teorias. Os fundamentos dessa teoria foram lançados na virada dos anos 1960 e 1970, e seu surgimento está associado a tentativas de explicar a natureza da interação forte no núcleo.

Figura 1.18. Cruzamento de cordas com emissão e absorção de uma partícula sem massa com spin 2.

Logo ficou claro que superfícies com tubos longos e finos (Fig. 1.18) correspondem a uma partícula sem massa com spin 2 emitida na forma de um quantum de radiação no intervalo que separa os estados inicial e final das partículas. (As partículas sem massa são simplesmente partículas que se movem à velocidade da luz, e seu spin é medido nas mesmas unidades em que o spin de um elétron é a metade.) O aparecimento dessa partícula causou então uma terrível confusão. Naquela época, já se sabia que o quantum deveria ter as mesmas propriedades. campo gravitacional- gráviton. Mas, apesar disso, no final dos anos 60 e 70, os principais esforços foram direcionados ao estudo de interações fortes, e não à gravidade. Essas circunstâncias levaram à perda de interesse pela teoria das cordas no início dos anos 1970.

Em 1974, Sherk e Schwartz levantaram a hipótese de que a teoria das cordas deveria ser considerada uma teoria da gravidade, mas ninguém a levou a sério na época. Somente graças ao trabalho de Green, Gross, Polyakov, Schwartz, Witten e seus colegas, os físicos começaram a concordar gradualmente que a teoria das cordas é adequada para o papel da teoria unificada final. teoria física com uma escala de energia da ordem de 10 15 – 10 19 GeV.

A teoria das cordas tem uma explicação perfeitamente racional em termos das simetrias que usa. A ação (1.14) está associada a várias simetrias. Assim como no caso da relatividade geral, a especificação de uma métrica gera simetria em relação às transformações de coordenadas . Há também outra simetria, menos óbvia, que é válida apenas no caso bidimensional. Essa simetria está associada a uma mudança local na escala de distâncias - a chamada transformação de Weyl, na qual o tensor métrico é multiplicado por função arbitrária coordenadas qumab(?) ? f(?) qumab(?). E, finalmente, há outra simetria bastante óbvia em relação às transformações de Lorentz:

xm? L m n x n + a m .

Essas duas simetrias parecem absolutamente necessárias. Sem essas simetrias, tentativas de calcular a soma sobre todas as superfícies levariam a resultados sem sentido. Sem essas duas simetrias, obtém-se probabilidades negativas ou probabilidade total não será igual a um. Na verdade, existem efeitos mecânicos quânticos muito sutis que podem quebrar essas simetrias. Anomalias quânticas "estragarão" essas simetrias, desde que não comecem a usar uma combinação adequada de coordenadas ordinárias e de rotação.

A teoria que descreve as propriedades de superfícies bidimensionais que são invariantes em relação às transformações de coordenadas e a transformação de Weyl foi criada por Bernhard Riemann em início do XIX séculos. A maioria de seus resultados acabou sendo indispensável para a compreensão da física das cordas. Por exemplo, tudo o que é necessário para descrever a topologia de uma superfície bidimensional arbitrária (mais precisamente, uma superfície fechada orientada arbitrariamente) é indicar o número de suas "alças". Se o número de "alças" for definido, para descrever a geometria, basta definir um número finito de parâmetros. Ao somar superfícies, precisamos integrar esses parâmetros. O número desses parâmetros é zero se não houver alças, dois se houver uma alça e 6 h– 6 se o número de alças h > 2.

São esses teoremas antigos que permitem a soma em todas as superfícies. Se não houvesse simetria, seria impossível fazer os cálculos necessários e, se algo acontecesse, o resultado provavelmente não teria sentido. É por isso que as simetrias parecem absolutamente necessárias. Chegamos perto do mais importante: a estrutura do funcional de ação (1.14) e, consequentemente, a própria dinâmica das cordas são determinadas exclusivamente por essas simetrias.

Existem vários várias teorias strings que são compatíveis com todas as simetrias acima e diferem no número de coordenadas espaço-temporais x* e variáveis ​​de spin. Infelizmente, em todas essas teorias, o número de dimensões espaço-temporais é superior a quatro. Uma forma de superar essa dificuldade é baseada na suposição de que as dimensões espaciais extras são "compactadas", ou seja, "enroladas" em distâncias muito pequenas. No entanto, esta abordagem não esgota todas as possibilidades. Teorias mais consistentes são baseadas na suposição de que pode haver qualquer número de variáveis ​​adicionais de espaço e spin, e a invariância de Lorentz se aplica apenas às quatro dimensões usuais do espaço-tempo. A ação e o número de variáveis ​​são então determinados a partir do requisito de que as simetrias restantes (sob transformação de coordenadas e transformação de Weyl) sejam preservadas apesar das flutuações quânticas. As pesquisas nesse sentido estão apenas começando.

A teoria das cordas foi usada nos anos 60 do século 20 para explicar a física dos hádrons, mas devido ao sucesso modelo padrão foram em grande parte esquecidos. Um ressurgimento do interesse em cordas ocorreu quando Green e Schwartz mostraram que uma teoria de supercordas livre de anomalias gravitacionais e de calibre poderia ser descrita em dez dimensões usando o grupo de simetria interna SO(32) ou E8 ? E8. Era sabido de teorias anteriores que alcançar a unitaridade e a invariância de Lorentz para teorias de supercordas só é possível em espaços de dimensões mais altas.

Não há termos adicionais compatíveis com essas simetrias. A PARTIR DE teoria dinâmica isso aconteceu pela primeira vez, quando a configuração de simetria determina completamente a natureza da dinâmica, ou seja, determina completamente a mudança no vetor de estado com o tempo. Essa é uma das razões do entusiasmo experimentado pelos físicos modernos. Esta teoria parece fatalmente inevitável. Você não pode fazer nenhuma mudança sem arruiná-lo, sem mencionar a capacidade da teoria das cordas para descrever fenômenos gravitacionais.

Na década de 1920, Kaluza e Klein usaram a ideia de tratar as forças como uma manifestação da curvatura de espaços de dimensões superiores para descrever o eletromagnetismo e a gravidade em uma base unificada puramente geométrica (teoria de Kaluza-Klein). Novas teorias que incluem supersimetria são chamadas de teorias de supercordas. Dentro da estrutura dessas teorias, algumas excitações da mecânica quântica de cordas (modos comuns) são interpretadas como partículas elementares observadas experimentalmente. Excitações são rotações, vibrações ou excitações de graus de liberdade internos. Assim, todo o espectro de partículas elementares é obtido com base em uma única corda fundamental. O número de estados com massas menores que a massa de Planck corresponde ao número de partículas observadas. Há também número infinito excitações com massas acima da massa de Planck. Normalmente esses mods não são estáveis ​​e são vendidos por outros mais leves. No entanto, dentro das teorias das supercordas, existem soluções estáveis ​​com características exóticas, como carga magnética, valores exóticos carga elétrica. Vale ressaltar que em todo o espectro de partículas correspondentes a soluções clássicas teorias das supercordas, aparece exatamente um gráviton sem massa com spin 2.

Strings aparecem em duas topologias diferentes: na forma cordas abertas com extremidades livres e na forma de laços fechados (sobre os quais em questão no artigo aqui citado). Além disso, eles podem ter uma orientação interna. Os números quânticos de cordas abertas estão localizados em suas extremidades, enquanto em laços fechados Números quânticos manchado ao longo da corda.

A teoria das cordas afirma ser a teoria final que unifica a totalidade de nossas ideias sobre mundo material. É por esses motivos que muitos física moderna sinta-se inspirado. O melhor físico e mentes matemáticas planetas estão agora atacando este, ao que parece, o último bastião da consciência científica da natureza material.

No este estágio o principal desafio é ver se as teorias das cordas podem levar a um modelo padrão que descreva as interações fraca, eletromagnética e forte. Se sim, surge então uma segunda questão: o que a teoria das cordas pode dizer sobre os dezessete parâmetros contidos no Modelo Padrão? Podemos usá-lo para calcular diretamente a massa do elétron, quarks, etc.? Se sim, então o problema será resolvido.

De acordo com muitos dos cientistas, a teoria das cordas é tão elegante que definitivamente se tornará uma das leis finais e fundamentais da física, e essa é a coisa mais importante que temos no momento.

A nota otimista na qual termina o trecho do artigo de S. Weinberg não é de forma alguma compartilhada pela Álgebra das Assinaturas. Dominante agora paradigma científico aprisionou a possibilidade de desenvolver nossas ideias sobre a realidade circundante. Os princípios subjacentes à mecânica quântica ainda não permitem estudar a estrutura de elementos elementares e partículas fundamentais. Tudo o que a física quântica moderna é capaz de fazer é calcular as probabilidades dos resultados de certos processos e obter a média características dinâmicas objetos quânticos. Uma pessoa inexperiente interessada nos fundamentos do universo, pegando qualquer livro sério sobre teoria quântica de campos ou teoria das cordas, pode pensar que ele contém um tesouro na língua marciana. sabedoria humana em relação à natureza da materialidade. De fato, as fronteiras da Ciência se afastaram caminho verdadeiro conhecimento. Em vez de iluminar a matéria com conhecimento, a Ciência se enredou em uma teia de suas próprias complexidades matemáticas, das quais a escuridão se torna ainda mais escura. teorias quânticas mergulhe a consciência na escuridão da névoa matemática, além da qual não apenas o CRIADOR Fundamental, mas também a própria matéria não é visível. A consciência vagueia cegamente no espaço fechado de um paradigma não espiritual, tentando agarrar-se a ilhas de conveniência na forma de leis de conservação, princípios variacionais e a coincidência de resultados de cálculos com dados experimentais. Se ideias claras sobre a essência da propagação da Luz (um dos Princípios do G-DIVING) permitissem à humanidade desenvolver uma indústria tecnologias da informação, em seguida, idéias confusas sobre átomos e fenômenos nucleares deram à humanidade nada além de uma arma que carrega morte terrível, e energia nuclear sinistra. Esta é a crise da modernidade ciência quântica- ela não é capaz de dar nada ao mundo, exceto destruição e morte. O único consolo é que a Ciência é jovem e está apenas no início de sua jornada.

Extraído da Álgebra de Assinaturas de Gauhman (Alsigna)

Mais versão completa pode ser encontrado em http://ru.wikipedia.org/wiki/String_Theory

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