Теория струн - Википедия - String theory

Теория струн
Фундаментальные объекты
Нить Brane D-брана
Теория возмущений
Бозонный Суперструна (Тип I, Тип II, Гетеротический )
Непертурбативные результаты
S-дуальность Т-дуальность U-дуальность М-теория F-теория AdS / CFT корреспонденция
Феноменология
Феноменология Космология Пейзаж
Математика
Зеркальная симметрия Чудовищный самогон
Связанные понятия Теория всего Конформная теория поля Квантовая гравитация Суперсимметрия Супергравитация Твисторная теория струн N = 4 суперсимметричная теория Янга – Миллса Теория Калуцы – Клейна Мультивселенная Голографический принцип
Теоретики Аганагич Аркани-Хамед Атья банки Беренштейн Буссо Тесак Curtright Dijkgraaf Дистлер Дуглас Дафф Феррара Фишлер Фридан Ворота Глиоцци Гопакумар Зеленый Грин Валовой Губсер Гуков Guth Hanson Харви Горжава Гиббонс Качру Каку Каллош Калуца Капустин Клебанов Книжник Концевич Кляйн Linde Мальдасена Мандельштам Марольф Мартинек Минвалла Мур Motl Мухи Майерс Нанопулос Нэстасе Некрасов Невеу Nielsen van Nieuwenhuizen Новиков Оливковое Ooguri Оврут Полчинский Поляков Раджараман Рамон Randall Ранджбар-Дэми Рочек Ром Scherk Шварц Зайберг Сен Шенкер Сигель Сильверштейн Сын Staudacher Steinhardt Strominger Сундрам Сасскинд 'т Хофт Townsend Триведи Турок Вафа Венециано Верлинде Верлинде Wess Виттен Яу Йонея Замолодчиков Замолодчиков Заслоу Зумино Zwiebach
История Глоссарий

В физика, теория струн это Теоретическая основа в которой точечные частицы из физика элементарных частиц заменены на одномерный объекты, называемые струны. Теория струн описывает, как эти струны распространяются в пространстве и взаимодействуют друг с другом. На шкале расстояний больше, чем шкала струны, струна выглядит как обычная частица с ее масса, обвинять, и другие свойства, определяемые колебательный состояние строки. В теории струн одно из многих колебательных состояний струны соответствует гравитон, а квантово-механический частица, несущая сила гравитации. Таким образом, теория струн - это теория квантовая гравитация.

Теория струн - обширный и разнообразный предмет, который пытается ответить на ряд глубоких вопросов фундаментальная физика. Теория струн внесла свой вклад в развитие математическая физика, которые были применены к множеству задач в черная дыра физика, ранняя вселенная космология, ядерная физика, и физика конденсированного состояния, и это стимулировало ряд важных событий в чистая математика. Поскольку теория струн потенциально обеспечивает единое описание гравитации и физики элементарных частиц, она является кандидатом в теория всего, автономный математическая модель это описывает все фундаментальные силы и формы иметь значение. Несмотря на большую работу по этим проблемам, неизвестно, в какой степени теория струн описывает реальный мир или насколько теория допускает свободу выбора своих деталей.

Теория струн была впервые изучена в конце 1960-х годов как теория сильная ядерная сила, прежде чем от него отказались в пользу квантовая хромодинамика. Впоследствии стало ясно, что те самые свойства, которые сделали теорию струн непригодной в качестве теории ядерной физики, сделали ее многообещающим кандидатом на квантовую теорию гравитации. Самая ранняя версия теории струн, теория бозонных струн, включил только класс частицы известный как бозоны. Позже он превратился в теория суперструн, который устанавливает соединение, называемое суперсимметрия между бозонами и классом частиц, называемым фермионы. Пять последовательных версий теории суперструн были разработаны до того, как в середине 1990-х было высказано предположение, что все они являются различными предельными случаями единой теории в 11 измерениях, известных как М-теория. В конце 1997 года теоретики обнаружили важную взаимосвязь, названную AdS / CFT корреспонденция, который связывает теорию струн с другим типом физической теории, называемой квантовая теория поля.

Одна из проблем теории струн состоит в том, что полная теория не может иметь удовлетворительного определения при всех обстоятельствах. Другая проблема заключается в том, что эта теория описывает огромное пейзаж возможных вселенных, что усложнило попытки разработать теории физики элементарных частиц, основанные на теории струн. Эти проблемы побудили некоторых в сообществе критиковать эти подходы к физике и ставить под сомнение ценность продолжения исследований по унификации теории струн.

Основы

Фундаментальные объекты теории струн бывают открытыми и закрытыми. струны.

В 20 веке возникли две теоретические основы для формулирования законов физики. Первый Альберт Эйнштейн с общая теория относительности, теория, объясняющая силу сила тяжести и структура пространство-время на макроуровне. Другой квантовая механика, совершенно другая формулировка, в которой используются известные вероятность принципы описания физических явлений на микроуровне. К концу 1970-х годов этих двух структур оказалось достаточно для объяснения большинства наблюдаемых особенностей вселенная, из элементарные частицы к атомы к эволюции звезд и Вселенной в целом.^[1]

Несмотря на эти успехи, остается еще много проблем, которые предстоит решить. Одна из самых глубоких проблем современной физики - проблема квантовая гравитация.^[1] Общая теория относительности сформулирована в рамках классическая физика, а другой фундаментальные силы описаны в рамках квантовой механики. Квантовая теория гравитации необходима для того, чтобы согласовать общую теорию относительности с принципами квантовой механики, но трудности возникают, когда кто-то пытается применить обычные предписания квантовой теории к силе гравитации.^[2] Помимо проблемы разработки последовательной теории квантовой гравитации, есть много других фундаментальных проблем в физике атомные ядра, черные дыры, и ранняя вселенная.^[а]

Теория струн - это Теоретическая основа который пытается ответить на эти и многие другие вопросы. Отправной точкой теории струн является идея о том, что точечные частицы из физика элементарных частиц также можно моделировать как одномерные объекты, называемые струны. Теория струн описывает, как струны распространяются в пространстве и взаимодействуют друг с другом. В данной версии теории струн существует только один вид струны, который может выглядеть как небольшая петля или сегмент обычной струны и может колебаться по-разному. На шкале расстояний больше, чем шкала струны, струна будет выглядеть как обычная частица с ее масса, обвинять, и другие свойства, определяемые колебательным состоянием струны. Таким образом, все различные элементарные частицы можно рассматривать как вибрирующие струны. В теории струн одно из колебательных состояний струны вызывает гравитон, квантово-механическая частица, которая несет гравитационную силу. Таким образом, теория струн - это теория квантовой гравитации.^[3]

Одним из главных достижений теории струн за последние несколько десятилетий было открытие определенных «дуальностей», математических преобразований, которые отождествляют одну физическую теорию с другой. Физики, изучающие теорию струн, обнаружили ряд этих двойственностей между различными версиями теории струн, и это привело к гипотезе, что все согласованные версии теории струн объединены в единую структуру, известную как М-теория.^[4]

Исследования теории струн также дали ряд результатов о природе черных дыр и гравитационном взаимодействии. Есть определенные парадоксы, которые возникают, когда кто-то пытается понять квантовые аспекты черных дыр, и работа над теорией струн пытается прояснить эти вопросы. В конце 1997 г. это направление работ привело к открытию соответствие анти-де Ситтера и конформной теории поля или AdS / CFT.^[5] Это теоретический результат, который связывает теорию струн с другими физическими теориями, которые лучше понимаются теоретически. Соответствие AdS / CFT имеет значение для изучения черных дыр и квантовой гравитации, и его применяли к другим предметам, включая ядерный^[6] и физика конденсированного состояния.^[7][8]

Поскольку теория струн включает в себя все фундаментальные взаимодействия, включая гравитацию, многие физики надеются, что в конечном итоге она будет развита до такой степени, что полностью описывает нашу Вселенную, делая ее теория всего. Одна из целей современных исследований в области теории струн - найти решение теории, воспроизводящее наблюдаемый спектр элементарных частиц с малым космологическая постоянная, содержащий темная материя и правдоподобный механизм для космическая инфляция. Несмотря на прогресс в достижении этих целей, неизвестно, в какой степени теория струн описывает реальный мир и какую свободу дает теория в выборе деталей.^[9]

Одна из проблем теории струн состоит в том, что полная теория не может иметь удовлетворительного определения при всех обстоятельствах. Рассеивание струн проще всего определить с помощью техники теория возмущений, но в целом не известно, как определять теорию струн непертурбативно.^[10] Также неясно, существует ли какой-либо принцип, по которому теория струн выбирает свои состояние вакуума, физическое состояние, определяющее свойства нашей Вселенной.^[11] Эти проблемы побудили некоторых в сообществе критиковать эти подходы к объединению физики и ставить под сомнение ценность продолжения исследований этих проблем.^[12]

Струны

Взаимодействие в квантовом мире: мировые линии точечных частицы или мировой лист подметен закрытым струны в теории струн.

Применение квантовой механики к физическим объектам, таким как электромагнитное поле, протянутые в пространстве и времени, известны как квантовая теория поля. В физике элементарных частиц квантовые теории поля составляют основу нашего понимания элементарных частиц, которые моделируются как возбуждения в фундаментальных полях.^[13]

В квантовой теории поля обычно вычисляют вероятности различных физических событий, используя методы теория возмущений. Разработан Ричард Фейнман и другие в первой половине двадцатого века пертурбативная квантовая теория поля использует специальные диаграммы, называемые Диаграммы Фейнмана для организации вычислений. Можно представить, что эти диаграммы изображают пути точечных частиц и их взаимодействия.^[13]

Отправной точкой теории струн является идея о том, что точечные частицы квантовой теории поля также можно моделировать как одномерные объекты, называемые струнами.^[14] Взаимодействие струн наиболее прямо определяется путем обобщения теории возмущений, используемой в обычной квантовой теории поля. На уровне диаграмм Фейнмана это означает замену одномерной диаграммы, представляющей путь точечной частицы, двумерной (2D) поверхностью, представляющей движение струны.^[15] В отличие от квантовой теории поля, теория струн не имеет полного непертурбативного определения, поэтому многие теоретические вопросы, на которые физики хотели бы ответить, остаются недоступными.^[16]

В теориях физики элементарных частиц, основанных на теории струн, предполагается, что характерный масштаб длины струн имеет порядок Планковская длина, или же 10⁻³⁵ метров, масштаб, в котором считается, что эффекты квантовой гравитации становятся значительными.^[15] На гораздо больших масштабах длины, таких как масштабы, видимые в физических лабораториях, такие объекты были бы неотличимы от нульмерных точечных частиц, а колебательное состояние струны определяло бы тип частицы. Одно из колебательных состояний струны соответствует гравитону, квантово-механической частице, несущей гравитационную силу.^[3]

Первоначальная версия теории струн была бозонная теория струн, но эта версия описывает только бозоны, класс частиц, передающих силы между частицами материи, или фермионы. Теорию бозонных струн в конечном итоге вытеснили теории, названные теории суперструн. Эти теории описывают как бозоны, так и фермионы, и они включают теоретическую идею, называемую суперсимметрия. В теориях с суперсимметрией у каждого бозона есть аналог - фермион, и наоборот.^[17]

Существует несколько версий теории суперструн: тип I, тип IIA, тип IIB, и два вкуса гетеротическая струна теория (ТАК(32) и E₈×E₈ ). Различные теории допускают разные типы струн, и частицы, возникающие при низких энергиях, демонстрируют разные симметрии. Например, теория типа I включает как открытые струны (которые представляют собой сегменты с конечными точками), так и закрытые струны (которые образуют замкнутые петли), в то время как типы IIA, IIB и гетеротические включают только закрытые строки.^[18]

Дополнительные размеры

Пример компактификация: На больших расстояниях двумерная поверхность с одним круговым измерением выглядит одномерной.

В повседневной жизни существует три привычных измерения (3D) пространства: высота, ширина и длина. Общая теория относительности Эйнштейна рассматривает время как измерение наравне с тремя пространственными измерениями; в общей теории относительности пространство и время не моделируются как отдельные сущности, а вместо этого объединены в четырехмерное (4D) пространство-время. В этом контексте явление гравитации рассматривается как следствие геометрии пространства-времени.^[19]

Несмотря на то, что Вселенная хорошо описывается четырехмерным пространством-временем, есть несколько причин, по которым физики рассматривают теории в других измерениях. В некоторых случаях, моделируя пространство-время в другом количестве измерений, теория становится более математически управляемой, и можно легче выполнять вычисления и получать общие идеи.^[b] Бывают также ситуации, когда теории в двух или трех измерениях пространства-времени полезны для описания явлений в физике конденсированного состояния.^[13] Наконец, существуют сценарии, в которых на самом деле могло быть более 4D пространства-времени, которые тем не менее удалось избежать обнаружения.^[20]

Примечательной особенностью теорий струн является то, что эти теории требуют дополнительные размеры пространства-времени за их математическую непротиворечивость. В теории бозонных струн пространство-время 26-мерно, в теории суперструн - 10-мерно, а в М-теория он 11-мерный. Поэтому для описания реальных физических явлений с помощью теории струн необходимо представить себе сценарии, в которых эти дополнительные измерения не наблюдались бы в экспериментах.^[21]

Поперечный разрез квинтики Многообразие Калаби – Яу

Компактификация - это один из способов изменить количество измерений в физической теории. Предполагается, что при компактификации некоторые дополнительные измерения «замыкаются», образуя круги.^[22] В пределе, когда эти свернутые вверх измерения становятся очень маленькими, получается теория, в которой пространство-время фактически имеет меньшее количество измерений. Стандартная аналогия для этого - рассмотреть многомерный объект, такой как садовый шланг. Если смотреть на шланг с достаточного расстояния, кажется, что он имеет только одно измерение - длину. Однако по мере приближения к шлангу обнаруживается, что он содержит второе измерение, его окружность. Таким образом, муравей, ползающий по поверхности шланга, будет двигаться в двух измерениях.

Компактификацию можно использовать для построения моделей, в которых пространство-время эффективно четырехмерно. Однако не каждый способ уплотнения дополнительных измерений дает модель с правильными свойствами для описания природы. В жизнеспособной модели физики элементарных частиц компактные дополнительные измерения должны иметь форму Многообразие Калаби – Яу.^[22] Многообразие Калаби – Яу является специальным Космос которая обычно считается шестимерной в приложениях к теории струн. Назван в честь математиков. Эухенио Калаби и Шинг-Тунг Яу.^[23]

Еще один подход к уменьшению количества измерений - это так называемый бранный мир сценарий. При таком подходе физики предполагают, что наблюдаемая Вселенная является четырехмерным подпространством пространства более высоких измерений. В таких моделях несущие силу бозоны физики элементарных частиц возникают из открытых струн с концами, прикрепленными к четырехмерному подпространству, в то время как гравитация возникает из закрытых струн, распространяющихся через большее окружающее пространство. Эта идея играет важную роль в попытках разработать модели физики реального мира, основанные на теории струн, и дает естественное объяснение слабости гравитации по сравнению с другими фундаментальными силами.^[24]

Дуальности

Диаграмма дуальностей теории струн. Синие края указывают S-дуальность. Красные края указывают Т-дуальность.

Примечательный факт о теории струн заключается в том, что все разные версии теории оказываются взаимосвязанными весьма нетривиальным образом. Одна из взаимосвязей, которые могут существовать между различными теориями струн, называется S-дуальность. Это соотношение, которое гласит, что набор сильно взаимодействующих частиц в одной теории в некоторых случаях может рассматриваться как набор слабо взаимодействующих частиц в совершенно другой теории. Грубо говоря, совокупность частиц называется сильно взаимодействующими, если они объединяются и распадаются часто, и слабо взаимодействующими, если они делают это нечасто. Теория струн типа I оказывается эквивалентной по S-дуальности теории струн. ТАК(32) гетеротическая теория струн. Точно так же теория струн типа IIB нетривиальным образом связана сама с собой S-дуальностью.^[25]

Еще одна взаимосвязь между различными теориями струн: Т-дуальность. Здесь рассматриваются струны, распространяющиеся вокруг дополнительного кругового измерения. T-дуальность утверждает, что струна, распространяющаяся по окружности радиуса р эквивалентно струне, распространяющейся по кругу радиуса 1/р в том смысле, что все наблюдаемые величины в одном описании отождествляются с величинами в двойном описании. Например, строка имеет импульс поскольку он распространяется по кругу, а также может обернуться вокруг него один или несколько раз. Количество витков струны по кругу называется номер намотки. Если строка имеет импульс п и номер намотки п в одном описании он будет иметь импульс п и номер намотки п в двойном описании. Например, теория струн типа IIA эквивалентна теории струн типа IIB через T-дуальность, и две версии гетеротической теории струн также связаны посредством T-дуальности.^[25]

В общем, термин двойственность относится к ситуации, когда два, казалось бы, разные физические системы оказываются эквивалентными нетривиальным образом. Две теории, связанные двойственностью, не обязательно должны быть теориями струн. Например, Двойственность Монтонена-Оливии является примером отношения S-дуальности между квантовыми теориями поля. Соответствие AdS / CFT является примером двойственности, которая связывает теорию струн с квантовой теорией поля. Если две теории связаны двойственностью, это означает, что одна теория может быть каким-то образом трансформирована так, что в итоге она будет выглядеть так же, как другая теория. Затем говорят, что две теории двойной друг к другу при преобразовании. Иными словами, две теории математически представляют собой разные описания одних и тех же явлений.^[26]

Бранес

Открытые струны прикреплены к паре D-браны.

В теории струн и других связанных теориях брана физический объект, который обобщает понятие точечной частицы на более высокие измерения. Например, точечная частица может рассматриваться как брана нулевого измерения, а струна может рассматриваться как брана размерности один. Также можно рассматривать браны более высокой размерности. В измерении п, они называются п-браны. Слово «брана» происходит от слова «мембрана», которое относится к двумерной бране.^[27]

Браны - это динамические объекты, которые могут распространяться в пространстве-времени в соответствии с правилами квантовой механики. Они имеют массу и могут иметь другие атрибуты, например заряд. А п-брана выметает (п+1) -мерный объем в пространстве-времени назвал его мировой объем. Физики часто изучают поля аналогично электромагнитному полю, которое живет в мировом объеме браны.^[27]

В теории струн D-браны являются важным классом бран, возникающих при рассмотрении открытых струн. Поскольку открытая струна распространяется в пространстве-времени, ее конечные точки должны лежать на D-бране. Буква «D» в D-бране относится к определенному математическому условию в системе, известному как Граничное условие Дирихле. Изучение D-бран в теории струн привело к важным результатам, таким как соответствие AdS / CFT, которое пролило свет на многие проблемы квантовой теории поля.^[27]

Бранов часто изучают с чисто математической точки зрения, и их описывают как объекты определенного категории, такой как производная категория из когерентные пучки на комплексное алгебраическое многообразие, или Категория Фукая из симплектическое многообразие.^[28] Связь между физическим понятием браны и математическим понятием категории привела к важным математическим открытиям в области алгебраический и симплектическая геометрия^[29] и теория представлений.^[30]

М-теория

До 1995 года теоретики считали, что существует пять последовательных версий теории суперструн (тип I, тип IIA, тип IIB и две версии теории гетеротических струн). Это понимание изменилось в 1995 году, когда Эдвард Виттен предположил, что пять теорий были просто частными предельными случаями одиннадцатимерной теории, называемой М-теорией. Гипотеза Виттена была основана на работах ряда других физиков, в том числе Ашоке Сен, Крис Халл, Пол Таунсенд, и Майкл Дафф. Его заявление привело к бурной исследовательской деятельности, которая теперь известна как вторая суперструнная революция.^[31]

Объединение теорий суперструн

Схематическая иллюстрация взаимосвязи между М-теория, пятерка теории суперструн, и одиннадцатимерный супергравитация. Заштрихованная область представляет собой семейство различных физических сценариев, возможных в M-теории. В некоторых предельных случаях, соответствующих каспам, естественно описывать физику, используя одну из шести обозначенных там теорий.

В 1970-х годах многие физики заинтересовались супергравитация теории, сочетающие общую теорию относительности с суперсимметрией. В то время как общая теория относительности имеет смысл в любом количестве измерений, супергравитация накладывает верхний предел на количество измерений.^[32] В 1978 году работа Вернер Нахм показал, что максимальное измерение пространства-времени, в котором можно сформулировать непротиворечивую суперсимметричную теорию, равно одиннадцати.^[33] В том же году, Юджин Креммер, Бернар Джулия, и Джоэль Шерк из École Normale Supérieure показали, что супергравитация не только допускает до одиннадцати измерений, но фактически является наиболее элегантной в этом максимальном количестве измерений.^[34][35]

Изначально многие физики надеялись, что, компактифицировав одиннадцатимерную супергравитацию, можно будет построить реалистичные модели нашего четырехмерного мира. Была надежда, что такие модели предоставят единое описание четырех фундаментальных сил природы: электромагнетизма, сильный и слабые ядерные силы, и гравитация. Интерес к одиннадцатимерной супергравитации вскоре угас, поскольку в этой схеме были обнаружены различные недостатки. Одна из проблем заключалась в том, что законы физики, по-видимому, различают по часовой стрелке и против часовой стрелки, явление, известное как хиральность. Эдвард Виттен и другие заметили, что это свойство хиральности не может быть легко получено путем компактификации из одиннадцати измерений.^[35]

в первая суперструнная революция в 1984 году многие физики обратились к теории струн как к единой теории физики элементарных частиц и квантовой гравитации. В отличие от теории супергравитации, теория струн смогла учесть киральность стандартной модели и предоставила теорию гравитации, совместимую с квантовыми эффектами.^[35] Еще одна особенность теории струн, которая привлекала многих физиков в 1980-х и 1990-х годах, заключалась в ее высокой степени уникальности. В обычных теориях частиц можно рассматривать любой набор элементарных частиц, классическое поведение которых описывается произвольным Лагранжиан. В теории струн возможности гораздо более ограничены: к 1990-м годам физики утверждали, что существует только пять последовательных суперсимметричных версий теории.^[35]

Хотя существовало лишь несколько последовательных теорий суперструн, оставалось загадкой, почему не было единственной последовательной формулировки.^[35] Однако, когда физики начали более внимательно изучать теорию струн, они поняли, что эти теории связаны сложным и нетривиальным образом. Они обнаружили, что систему сильно взаимодействующих струн в некоторых случаях можно рассматривать как систему слабо взаимодействующих струн. Это явление известно как S-дуальность. Это было изучено Ашоке Сеном в контексте гетеротических струн в четырех измерениях.^[36][37] и Крисом Халлом и Полом Таунсендом в контексте теории типа IIB.^[38] Теоретики также обнаружили, что различные теории струн могут быть связаны посредством T-дуальности. Эта двойственность подразумевает, что струны, распространяющиеся в совершенно разных геометриях пространства-времени, могут быть физически эквивалентными.^[39]

Примерно в то же время, когда многие физики изучали свойства струн, небольшая группа физиков изучала возможные применения объектов более высоких измерений. В 1987 году Эрик Бергшоф, Эргин Сезгин и Пол Таунсенд показали, что одиннадцатимерная супергравитация включает двумерные браны.^[40] Интуитивно эти объекты выглядят как листы или мембраны, распространяющиеся в одиннадцатимерном пространстве-времени. Вскоре после этого открытия Майкл Дафф, Пол Хау, Такео Инами и Келлог Стелле рассмотрели конкретную компактификацию одиннадцатимерной супергравитации с одним из измерений, свернутым в круг.^[41] В этом случае можно представить, что мембрана оборачивается вокруг кругового измерения. Если радиус круга достаточно мал, то эта мембрана выглядит как струна в десятимерном пространстве-времени. Дафф и его сотрудники показали, что эта конструкция точно воспроизводит струны, появляющиеся в теории суперструн типа IIA.^[42]

Выступая на конференции по теории струн в 1995 году, Эдвард Виттен сделал удивительное предположение, что все пять теорий суперструн на самом деле являются всего лишь разными предельными случаями единой теории в одиннадцати измерениях пространства-времени. Объявление Виттена объединило все предыдущие результаты по S- и T-дуальности и появлению многомерных бран в теории струн.^[43] В течение нескольких месяцев после заявления Виттена в Интернете появились сотни новых статей, подтверждающих различные части его предложения.^[44] Сегодня этот шквал работ известен как вторая суперструнная революция.^[45]

Первоначально некоторые физики предполагали, что новая теория является фундаментальной теорией мембран, но Виттен скептически относился к роли мембран в этой теории. В статье 1996 года Хоржава и Виттен написали: «Поскольку было предложено, что одиннадцатимерная теория является теорией супермембран, но есть некоторые причины сомневаться в этой интерпретации, мы не будем называть ее М-теорией, оставив будущее отношение М к мембранам ».^[46] В отсутствие понимания истинного смысла и структуры М-теории Виттен предположил, что M должно означать «магия», «тайна» или «мембрана» в зависимости от вкуса, и истинное значение названия должно быть определено, когда станет известна более фундаментальная формулировка теории.^[47]

Матричная теория

В математике матрица представляет собой прямоугольный массив чисел или других данных. В физике матричная модель представляет собой особый вид физической теории, математическая формулировка которой в значительной степени включает понятие матрицы. Матричная модель описывает поведение набора матриц в рамках квантовой механики.^[48]

Одним из важных примеров матричной модели является матричная модель BFSS, предложенная Том Бэнкс, Вилли Фишлер, Стивен Шенкер, и Леонард Сасскинд в 1997 году. Эта теория описывает поведение набора из девяти больших матриц. В своей оригинальной статье эти авторы показали, среди прочего, что низкоэнергетический предел этой матричной модели описывается одиннадцатимерной супергравитацией. Эти расчеты привели их к предположению, что матричная модель BFSS в точности эквивалентна M-теории. Таким образом, матричная модель BFSS может быть использована в качестве прототипа для правильной формулировки M-теории и инструмента для исследования свойств M-теории в относительно простых условиях.^[48]

Развитие формулировки матричной модели М-теории побудило физиков рассмотреть различные связи между теорией струн и разделом математики, называемым некоммутативная геометрия. Этот предмет является обобщением обычной геометрии, в которой математики определяют новые геометрические понятия, используя инструменты из некоммутативная алгебра.^[49] В статье 1998 г. Ален Конн, Майкл Р. Дуглас, и Альберт Шварц показал, что некоторые аспекты матричных моделей и М-теории описываются некоммутативная квантовая теория поля, особый вид физической теории, в которой пространство-время математически описывается с использованием некоммутативной геометрии.^[50] Это установило связь между матричными моделями и М-теорией, с одной стороны, и некоммутативной геометрией, с другой. Это быстро привело к открытию других важных связей между некоммутативной геометрией и различными физическими теориями.^[51][52]

Черные дыры

В общей теории относительности черная дыра определяется как область пространства-времени, в которой гравитационное поле настолько сильно, что никакая частица или излучение не могут уйти. В принятых в настоящее время моделях звездной эволюции считается, что черные дыры возникают, когда массивные звезды испытывают гравитационный коллапс, и много галактики Считается, что содержат сверхмассивные черные дыры в их центрах. Черные дыры также важны по теоретическим причинам, поскольку они представляют собой серьезные проблемы для теоретиков, пытающихся понять квантовые аспекты гравитации. Теория струн оказалась важным инструментом для исследования теоретических свойств черных дыр, поскольку она обеспечивает основу, в которой теоретики могут изучать их термодинамика.^[53]

Формула Бекенштейна – Хокинга

В разделе физики под названием статистическая механика, энтропия является мерой случайности или беспорядка физической системы. Эта концепция была изучена в 1870-х годах австрийским физиком. Людвиг Больцманн, который показал, что термодинамический свойства газ может быть получен из совокупности свойств его многих составляющих молекулы. Больцман утверждал, что, усредняя поведение всех различных молекул в газе, можно понять макроскопические свойства, такие как объем, температура и давление. Кроме того, эта точка зрения привела его к тому, что он дал точное определение энтропии как натуральный логарифм числа различных состояний молекул (также называемых микросостояния), которые вызывают те же макроскопические особенности.^[54]

В двадцатом веке физики начали применять те же концепции к черным дырам. В большинстве систем, таких как газы, энтропия зависит от объема. В 1970-е годы физик Якоб Бекенштейн предположил, что энтропия черной дыры вместо этого пропорциональна площадь поверхности своего горизонт событий, граница, за которой материя и излучение теряются из-за гравитационного притяжения.^[55] В сочетании с идеями физика Стивен Хокинг,^[56] Работа Бекенштейна привела к точной формуле энтропии черной дыры. В Формула Бекенштейна – Хокинга выражает энтропию S в качестве

${ displaystyle S = { frac {c ^ {3} kA} {4 hbar G}}}$

куда c это скорость света, k является Постоянная Больцмана, час это приведенная постоянная Планка, грамм является Постоянная Ньютона, и А - площадь горизонта событий.^[57]

Как и любая физическая система, черная дыра имеет энтропию, определяемую количеством различных микросостояний, которые приводят к одним и тем же макроскопическим характеристикам. Формула энтропии Бекенштейна – Хокинга дает ожидаемое значение энтропии черной дыры, но к 1990-м годам у физиков все еще не было вывода этой формулы путем подсчета микросостояний в теории квантовой гравитации. Получение такого вывода этой формулы считалось важным тестом на жизнеспособность любой теории квантовой гравитации, такой как теория струн.^[58]

Вывод в теории струн

В статье 1996 г. Эндрю Строминджер и Джумрун Вафа показал, как вывести формулу Бекенштейна – Хокинга для некоторых черных дыр в теории струн.^[59] Их расчет был основан на наблюдении, что D-браны, которые выглядят как колеблющиеся мембраны, когда они слабо взаимодействуют, становятся плотными, массивными объектами с горизонтом событий, когда взаимодействия сильные. Другими словами, система сильно взаимодействующих D-бран в теории струн неотличима от черной дыры. Строминджер и Вафа проанализировали такие системы D-бран и вычислили количество различных способов размещения D-бран в пространстве-времени так, чтобы их совокупная масса и заряд были равны заданной массе и заряду образовавшейся черной дыры. Их расчет точно воспроизводил формулу Бекенштейна – Хокинга, включая множитель 1/4.^[60] Последующие работы Строминджера, Вафы и других уточнили исходные вычисления и дали точные значения «квантовых поправок», необходимых для описания очень маленьких черных дыр.^[61][62]

Черные дыры, которые Строминджер и Вафа рассматривали в своей первоначальной работе, сильно отличались от настоящих астрофизических черных дыр. Одно различие заключалось в том, что Строминджер и Вафа считали только экстремальные черные дыры чтобы сделать расчет послушным. Они определяются как черные дыры с минимально возможной массой, совместимой с данным зарядом.^[63] Строминджер и Вафа также ограничили внимание черными дырами в пятимерном пространстве-времени с нефизической суперсимметрией.^[64]

Хотя изначально он был разработан в этом очень специфическом и физически нереалистичном контексте теории струн, расчет энтропии Строминджера и Вафы привел к качественному пониманию того, как энтропия черной дыры может быть учтена в любой теории квантовой гравитации. Действительно, в 1998 году Строминджер утверждал, что исходный результат можно обобщить на произвольную непротиворечивую теорию квантовой гравитации, не полагаясь на струны или суперсимметрию.^[65] В сотрудничестве с несколькими другими авторами в 2010 году он показал, что некоторые результаты по энтропии черной дыры могут быть распространены на неэкстремальные астрофизические черные дыры.^[66][67]

AdS / CFT корреспонденция

Один из подходов к формулировке теории струн и изучению ее свойств обеспечивается соответствием анти-де Ситтера / конформной теории поля (AdS / CFT). Это теоретический результат, который означает, что теория струн в некоторых случаях эквивалентна квантовой теории поля. Помимо понимания математической структуры теории струн, соответствие AdS / CFT пролило свет на многие аспекты квантовой теории поля в режимах, в которых традиционные вычислительные методы неэффективны.^[6] Соответствие AdS / CFT было впервые предложено Хуан Малдасена в конце 1997 г.^[68] Важные аспекты переписки подробно освещены в статьях Стивен Габсер, Игорь Клебанов, и Александр Маркович Поляков,^[69] и Эдвард Виттен.^[70] К 2010 году статья Малдасены имела более 7000 цитирований, став самой цитируемой статьей в области физика высоких энергий.^[c]

Обзор переписки

А мозаика из гиперболическая плоскость треугольниками и квадратами

В AdS / CFT-соответствии геометрия пространства-времени описывается в терминах определенного вакуумный раствор из Уравнение Эйнштейна называется пространство анти-де Ситтера.^[6] Проще говоря, пространство анти-де Ситтера - это математическая модель пространства-времени, в которой понятие расстояния между точками ( метрика ) отличается от понятия расстояния в обычном Евклидова геометрия. Это тесно связано с hyperbolic space, which can be viewed as a диск as illustrated on the left.^[71] Это изображение показывает мозаика of a disk by triangles and squares. One can define the distance between points of this disk in such a way that all the triangles and squares are the same size and the circular outer boundary is infinitely far from any point in the interior.^[72]

One can imagine a stack of hyperbolic disks where each disk represents the state of the universe at a given time. The resulting geometric object is three-dimensional anti-de Sitter space.^[71] It looks like a solid цилиндр in which any поперечное сечение is a copy of the hyperbolic disk. Time runs along the vertical direction in this picture. The surface of this cylinder plays an important role in the AdS/CFT correspondence. As with the hyperbolic plane, anti-de Sitter space is изогнутый in such a way that any point in the interior is actually infinitely far from this boundary surface.^[72]

Трехмерный пространство анти-де Ситтера is like a stack of hyperbolic disks, each one representing the state of the universe at a given time. Результирующий пространство-время looks like a solid цилиндр.

This construction describes a hypothetical universe with only two space dimensions and one time dimension, but it can be generalized to any number of dimensions. Indeed, hyperbolic space can have more than two dimensions and one can "stack up" copies of hyperbolic space to get higher-dimensional models of anti-de Sitter space.^[71]

An important feature of anti-de Sitter space is its boundary (which looks like a cylinder in the case of three-dimensional anti-de Sitter space). One property of this boundary is that, within a small region on the surface around any given point, it looks just like Пространство Минковского, the model of spacetime used in nongravitational physics.^[73] One can therefore consider an auxiliary theory in which "spacetime" is given by the boundary of anti-de Sitter space. This observation is the starting point for AdS/CFT correspondence, which states that the boundary of anti-de Sitter space can be regarded as the "spacetime" for a quantum field theory. The claim is that this quantum field theory is equivalent to a gravitational theory, such as string theory, in the bulk anti-de Sitter space in the sense that there is a "dictionary" for translating entities and calculations in one theory into their counterparts in the other theory. For example, a single particle in the gravitational theory might correspond to some collection of particles in the boundary theory. In addition, the predictions in the two theories are quantitatively identical so that if two particles have a 40 percent chance of colliding in the gravitational theory, then the corresponding collections in the boundary theory would also have a 40 percent chance of colliding.^[74]

Applications to quantum gravity

The discovery of the AdS/CFT correspondence was a major advance in physicists' understanding of string theory and quantum gravity. One reason for this is that the correspondence provides a formulation of string theory in terms of quantum field theory, which is well understood by comparison. Another reason is that it provides a general framework in which physicists can study and attempt to resolve the paradoxes of black holes.^[53]

In 1975, Stephen Hawking published a calculation which suggested that black holes are not completely black but emit a dim radiation due to quantum effects near the горизонт событий.^[56] At first, Hawking's result posed a problem for theorists because it suggested that black holes destroy information. More precisely, Hawking's calculation seemed to conflict with one of the basic постулаты квантовой механики, which states that physical systems evolve in time according to the Уравнение Шредингера. Это свойство обычно называют унитарность of time evolution. The apparent contradiction between Hawking's calculation and the unitarity postulate of quantum mechanics came to be known as the парадокс информации о черной дыре.^[75]

The AdS/CFT correspondence resolves the black hole information paradox, at least to some extent, because it shows how a black hole can evolve in a manner consistent with quantum mechanics in some contexts. Indeed, one can consider black holes in the context of the AdS/CFT correspondence, and any such black hole corresponds to a configuration of particles on the boundary of anti-de Sitter space.^[76] These particles obey the usual rules of quantum mechanics and in particular evolve in a unitary fashion, so the black hole must also evolve in a unitary fashion, respecting the principles of quantum mechanics.^[77] In 2005, Hawking announced that the paradox had been settled in favor of information conservation by the AdS/CFT correspondence, and he suggested a concrete mechanism by which black holes might preserve information.^[78]

Applications to nuclear physics

А магнит левитирующий над high-temperature superconductor. Today some physicists are working to understand high-temperature superconductivity using the AdS/CFT correspondence.^[7]

In addition to its applications to theoretical problems in quantum gravity, the AdS/CFT correspondence has been applied to a variety of problems in quantum field theory. One physical system that has been studied using the AdS/CFT correspondence is the кварк-глюонная плазма, an exotic состояние дела произведено в ускорители частиц. This state of matter arises for brief instants when heavy ионы Такие как золото или же вести nuclei are collided at high energies. Such collisions cause the кварки that make up atomic nuclei to deconfine at temperatures of approximately two триллион кельвин, conditions similar to those present at around 10⁻¹¹ seconds after the Большой взрыв.^[79]

The physics of the quark–gluon plasma is governed by a theory called квантовая хромодинамика, but this theory is mathematically intractable in problems involving the quark–gluon plasma.^[d] In an article appearing in 2005, Àm Thanh Sn and his collaborators showed that the AdS/CFT correspondence could be used to understand some aspects of the quark–gluon plasma by describing it in the language of string theory.^[80] By applying the AdS/CFT correspondence, Sơn and his collaborators were able to describe the quark gluon plasma in terms of black holes in five-dimensional spacetime. The calculation showed that the ratio of two quantities associated with the quark–gluon plasma, the сдвиговая вязкость and volume density of entropy, should be approximately equal to a certain universal постоянный. In 2008, the predicted value of this ratio for the quark–gluon plasma was confirmed at the Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхейвенская национальная лаборатория.^[7][81]

Applications to condensed matter physics

The AdS/CFT correspondence has also been used to study aspects of condensed matter physics. Over the decades, экспериментальный condensed matter physicists have discovered a number of exotic states of matter, including сверхпроводники и superfluids. These states are described using the formalism of quantum field theory, but some phenomena are difficult to explain using standard field theoretic techniques. Some condensed matter theorists including Субир Сачдев hope that the AdS/CFT correspondence will make it possible to describe these systems in the language of string theory and learn more about their behavior.^[7]

So far some success has been achieved in using string theory methods to describe the transition of a superfluid to an изолятор. A superfluid is a system of электрически нейтрален атомы that flows without any трение. Such systems are often produced in the laboratory using жидкий гелий, but recently experimentalists have developed new ways of producing artificial superfluids by pouring trillions of cold atoms into a lattice of criss-crossing лазеры. These atoms initially behave as a superfluid, but as experimentalists increase the intensity of the lasers, they become less mobile and then suddenly transition to an insulating state. During the transition, the atoms behave in an unusual way. For example, the atoms slow to a halt at a rate that depends on the температура и дальше Постоянная Планка, the fundamental parameter of quantum mechanics, which does not enter into the description of the other фазы. This behavior has recently been understood by considering a dual description where properties of the fluid are described in terms of a higher dimensional black hole.^[8]

Феноменология

In addition to being an idea of considerable theoretical interest, string theory provides a framework for constructing models of real world physics that combine general relativity and particle physics. Феноменология is the branch of theoretical physics in which physicists construct realistic models of nature from more abstract theoretical ideas. Струнная феноменология is the part of string theory that attempts to construct realistic or semi-realistic models based on string theory.

Partly because of theoretical and mathematical difficulties and partly because of the extremely high energies needed to test these theories experimentally, there is so far no experimental evidence that would unambiguously point to any of these models being a correct fundamental description of nature. This has led some in the community to criticize these approaches to unification and question the value of continued research on these problems.^[12]

Физика элементарных частиц

The currently accepted theory describing elementary particles and their interactions is known as the standard model of particle physics. This theory provides a unified description of three of the fundamental forces of nature: electromagnetism and the strong and weak nuclear forces. Despite its remarkable success in explaining a wide range of physical phenomena, the standard model cannot be a complete description of reality. This is because the standard model fails to incorporate the force of gravity and because of problems such as the проблема иерархии and the inability to explain the structure of fermion masses or dark matter.

String theory has been used to construct a variety of models of particle physics going beyond the standard model. Typically, such models are based on the idea of compactification. Starting with the ten- or eleven-dimensional spacetime of string or M-theory, physicists postulate a shape for the extra dimensions. By choosing this shape appropriately, they can construct models roughly similar to the standard model of particle physics, together with additional undiscovered particles.^[82] One popular way of deriving realistic physics from string theory is to start with the heterotic theory in ten dimensions and assume that the six extra dimensions of spacetime are shaped like a six-dimensional Calabi–Yau manifold. Such compactifications offer many ways of extracting realistic physics from string theory. Other similar methods can be used to construct realistic or semi-realistic models of our four-dimensional world based on M-theory.^[83]

Космология

Карта космический микроволновый фон произведенный СВЧ-датчик анизотропии Wilkinson

The Big Bang theory is the prevailing космологический model for the universe from the earliest known periods through its subsequent large-scale evolution. Despite its success in explaining many observed features of the universe including galactic красные смещения, the relative abundance of light elements such as водород и гелий, и наличие космический микроволновый фон, there are several questions that remain unanswered. For example, the standard Big Bang model does not explain why the universe appears to be same in all directions, why it appears flat on very large distance scales, or why certain hypothesized particles such as магнитные монополи are not observed in experiments.^[84]

Currently, the leading candidate for a theory going beyond the Big Bang is the theory of cosmic inflation. Разработан Алан Гут and others in the 1980s, inflation postulates a period of extremely rapid accelerated expansion of the universe prior to the expansion described by the standard Big Bang theory. The theory of cosmic inflation preserves the successes of the Big Bang while providing a natural explanation for some of the mysterious features of the universe.^[85] The theory has also received striking support from observations of the cosmic microwave background, the radiation that has filled the sky since around 380,000 years after the Big Bang.^[86]

In the theory of inflation, the rapid initial expansion of the universe is caused by a hypothetical particle called the надувной. The exact properties of this particle are not fixed by the theory but should ultimately be derived from a more fundamental theory such as string theory.^[87] Indeed, there have been a number of attempts to identify an inflaton within the spectrum of particles described by string theory, and to study inflation using string theory. While these approaches might eventually find support in observational data such as measurements of the cosmic microwave background, the application of string theory to cosmology is still in its early stages.^[88]

Connections to mathematics

In addition to influencing research in теоретическая физика, string theory has stimulated a number of major developments in чистая математика. Like many developing ideas in theoretical physics, string theory does not at present have a mathematically rigorous formulation in which all of its concepts can be defined precisely. As a result, physicists who study string theory are often guided by physical intuition to conjecture relationships between the seemingly different mathematical structures that are used to formalize different parts of the theory. These conjectures are later proved by mathematicians, and in this way, string theory serves as a source of new ideas in pure mathematics.^[89]

Зеркальная симметрия

В Clebsch cubic is an example of a kind of geometric object called an algebraic variety. A classical result of перечислительная геометрия states that there are exactly 27 straight lines that lie entirely on this surface.

After Calabi–Yau manifolds had entered physics as a way to compactify extra dimensions in string theory, many physicists began studying these manifolds. In the late 1980s, several physicists noticed that given such a compactification of string theory, it is not possible to reconstruct uniquely a corresponding Calabi–Yau manifold.^[90] Instead, two different versions of string theory, type IIA and type IIB, can be compactified on completely different Calabi–Yau manifolds giving rise to the same physics. In this situation, the manifolds are called mirror manifolds, and the relationship between the two physical theories is called зеркальная симметрия.^[28]

Regardless of whether Calabi–Yau compactifications of string theory provide a correct description of nature, the existence of the mirror duality between different string theories has significant mathematical consequences. The Calabi–Yau manifolds used in string theory are of interest in pure mathematics, and mirror symmetry allows mathematicians to solve problems in перечислительная геометрия, a branch of mathematics concerned with counting the numbers of solutions to geometric questions.^[28][91]

Enumerative geometry studies a class of geometric objects called algebraic varieties which are defined by the vanishing of многочлены. Например, Clebsch cubic illustrated on the right is an algebraic variety defined using a certain polynomial of степень three in four variables. A celebrated result of nineteenth-century mathematicians Артур Кэли и Джордж Сэлмон states that there are exactly 27 straight lines that lie entirely on such a surface.^[92]

Generalizing this problem, one can ask how many lines can be drawn on a quintic Calabi–Yau manifold, such as the one illustrated above, which is defined by a polynomial of degree five. This problem was solved by the nineteenth-century German mathematician Герман Шуберт, who found that there are exactly 2,875 such lines. In 1986, geometer Sheldon Katz proved that the number of curves, such as circles, that are defined by polynomials of degree two and lie entirely in the quintic is 609,250.^[93]

By the year 1991, most of the classical problems of enumerative geometry had been solved and interest in enumerative geometry had begun to diminish.^[94] The field was reinvigorated in May 1991 when physicists Филип Канделас, Xenia de la Ossa, Paul Green, and Linda Parks showed that mirror symmetry could be used to translate difficult mathematical questions about one Calabi–Yau manifold into easier questions about its mirror.^[95] In particular, they used mirror symmetry to show that a six-dimensional Calabi–Yau manifold can contain exactly 317,206,375 curves of degree three.^[94] In addition to counting degree-three curves, Candelas and his collaborators obtained a number of more general results for counting rational curves which went far beyond the results obtained by mathematicians.^[96]

Originally, these results of Candelas were justified on physical grounds. However, mathematicians generally prefer rigorous proofs that do not require an appeal to physical intuition. Inspired by physicists' work on mirror symmetry, mathematicians have therefore constructed their own arguments proving the enumerative predictions of mirror symmetry.^[e] Today mirror symmetry is an active area of research in mathematics, and mathematicians are working to develop a more complete mathematical understanding of mirror symmetry based on physicists' intuition.^[102] Major approaches to mirror symmetry include the гомологическая зеркальная симметрия программа Максим Концевич^[29] и SYZ conjecture of Andrew Strominger, Shing-Tung Yau, and Эрик Заслоу.^[103]

Чудовищный самогон

An equilateral triangle can be rotated through 120°, 240°, or 360°, or reflected in any of the three lines pictured without changing its shape.

Теория групп is the branch of mathematics that studies the concept of симметрия. For example, one can consider a geometric shape such as an equilateral triangle. There are various operations that one can perform on this triangle without changing its shape. One can rotate it through 120°, 240°, or 360°, or one can reflect in any of the lines labeled S₀, S₁, или же S₂ на картинке. Each of these operations is called a симметрия, and the collection of these symmetries satisfies certain technical properties making it into what mathematicians call a группа. In this particular example, the group is known as the dihedral group из порядок 6 because it has six elements. A general group may describe finitely many or infinitely many symmetries; if there are only finitely many symmetries, it is called a конечная группа.^[104]

Mathematicians often strive for a классификация (or list) of all mathematical objects of a given type. It is generally believed that finite groups are too diverse to admit a useful classification. A more modest but still challenging problem is to classify all finite просто группы. These are finite groups which may be used as building blocks for constructing arbitrary finite groups in the same way that простые числа can be used to construct arbitrary целые числа by taking products.^[f] One of the major achievements of contemporary group theory is the классификация конечных простых групп, a mathematical theorem which provides a list of all possible finite simple groups.^[104]

This classification theorem identifies several infinite families of groups as well as 26 additional groups which do not fit into any family. The latter groups are called the "sporadic" groups, and each one owes its existence to a remarkable combination of circumstances. The largest sporadic group, the so-called группа монстров, has over 10⁵³ elements, more than a thousand times the number of atoms in the Earth.^[105]

График j-function в комплексной плоскости

A seemingly unrelated construction is the j-function из теория чисел. This object belongs to a special class of functions called модульные функции, whose graphs form a certain kind of repeating pattern.^[106] Although this function appears in a branch of mathematics which seems very different from the theory of finite groups, the two subjects turn out to be intimately related. In the late 1970s, mathematicians Джон Маккей и Джон Томпсон noticed that certain numbers arising in the analysis of the monster group (namely, the dimensions of its неприводимые представления ) are related to numbers that appear in a formula for the j-function (namely, the coefficients of its Ряд Фурье ).^[107] This relationship was further developed by Джон Хортон Конвей и Саймон Нортон^[108] кто назвал это чудовищный самогон because it seemed so far fetched.^[109]

В 1992 г. Ричард Борчердс constructed a bridge between the theory of modular functions and finite groups and, in the process, explained the observations of McKay and Thompson.^[110][111] Borcherds' work used ideas from string theory in an essential way, extending earlier results of Igor Frenkel, James Lepowsky, и Arne Meurman, who had realized the monster group as the symmetries of a particular^{[который? ]} version of string theory.^[112] In 1998, Borcherds was awarded the Медаль Филдса за его работу.^[113]

Since the 1990s, the connection between string theory and moonshine has led to further results in mathematics and physics.^[105] In 2010, physicists Tohru Eguchi, Хироси Оогури, and Yuji Tachikawa discovered connections between a different sporadic group, the Группа Матье M₂₄, and a certain version^{[который? ]} of string theory.^[114] Miranda Cheng, John Duncan, and Джеффри А. Харви proposed a generalization of this moonshine phenomenon called темный самогон,^[115] and their conjecture was proved mathematically by Duncan, Michael Griffin, and Кен Оно.^[116] Witten has also speculated that the version of string theory appearing in monstrous moonshine might be related to a certain simplified model of gravity in three spacetime dimensions.^[117]

История

Early results

Some of the structures reintroduced by string theory arose for the first time much earlier as part of the program of classical unification started by Альберт Эйнштейн. The first person to add a пятое измерение to a theory of gravity was Гуннар Нордстрём in 1914, who noted that gravity in five dimensions describes both gravity and electromagnetism in four. Nordström attempted to unify electromagnetism with его теория гравитации, which was however superseded by Einstein's general relativity in 1919. Thereafter, German mathematician Теодор Калуца combined the fifth dimension with общая теория относительности, and only Kaluza is usually credited with the idea. In 1926, the Swedish physicist Оскар Кляйн дал a physical interpretation of the unobservable extra dimension—it is wrapped into a small circle. Einstein introduced a non-symmetric метрический тензор, while much later Brans and Dicke added a scalar component to gravity. These ideas would be revived within string theory, where they are demanded by consistency conditions.

Леонард Сасскинд

String theory was originally developed during the late 1960s and early 1970s as a never completely successful theory of адроны, то субатомные частицы словно протон и нейтрон that feel the сильное взаимодействие. In the 1960s, Джеффри Чу и Стивен Фраучи discovered that the мезоны make families called Траектории Редже with masses related to spins in a way that was later understood by Ёитиро Намбу, Хольгер Бех Нильсен и Леонард Сасскинд to be the relationship expected from rotating strings. Chew advocated making a theory for the interactions of these trajectories that did not presume that they were composed of any fundamental particles, but would construct their interactions from self-consistency conditions на S-matrix. В S-матричный подход был начат Вернер Гейзенберг in the 1940s as a way of constructing a theory that did not rely on the local notions of space and time, which Heisenberg believed break down at the nuclear scale. While the scale was off by many orders of magnitude, the approach he advocated was ideally suited for a theory of quantum gravity.

Working with experimental data, R. Dolen, D. Horn and C. Schmid developed some sum rules for hadron exchange. When a particle and античастица scatter, virtual particles can be exchanged in two qualitatively different ways. In the s-channel, the two particles annihilate to make temporary intermediate states that fall apart into the final state particles. In the t-channel, the particles exchange intermediate states by emission and absorption. In field theory, the two contributions add together, one giving a continuous background contribution, the other giving peaks at certain energies. In the data, it was clear that the peaks were stealing from the background—the authors interpreted this as saying that the t-channel contribution was dual to the s-channel one, meaning both described the whole amplitude and included the other.

Габриэле Венециано

The result was widely advertised by Мюррей Гелл-Манн, ведущий Габриэле Венециано построить scattering amplitude that had the property of Dolen–Horn–Schmid duality, later renamed world-sheet duality. The amplitude needed poles where the particles appear, on straight line trajectories, and there is a special mathematical function whose poles are evenly spaced on half the real line—the гамма-функция — which was widely used in Regge theory. By manipulating combinations of gamma functions, Veneziano was able to find a consistent scattering amplitude with poles on straight lines, with mostly positive residues, which obeyed duality and had the appropriate Regge scaling at high energy. The amplitude could fit near-beam scattering data as well as other Regge type fits, and had a suggestive integral representation that could be used for generalization.

Over the next years, hundreds of physicists worked to complete the bootstrap program for this model, with many surprises. Veneziano himself discovered that for the scattering amplitude to describe the scattering of a particle that appears in the theory, an obvious self-consistency condition, the lightest particle must be a tachyon. Miguel Virasoro and Joel Shapiro found a different amplitude now understood to be that of closed strings, while Ziro Koba и Holger Nielsen generalized Veneziano's integral representation to multiparticle scattering. Veneziano and Sergio Fubini introduced an operator formalism for computing the scattering amplitudes that was a forerunner of world-sheet conformal theory, while Virasoro understood how to remove the poles with wrong-sign residues using a constraint on the states. Claud Lovelace calculated a loop amplitude, and noted that there is an inconsistency unless the dimension of the theory is 26. Чарльз Торн, Питер Годдард и Ричард Брауэр went on to prove that there are no wrong-sign propagating states in dimensions less than or equal to 26.

In 1969–70, Ёитиро Намбу, Хольгер Бех Нильсен, и Леонард Сасскинд recognized that the theory could be given a description in space and time in terms of strings. The scattering amplitudes were derived systematically from the action principle by Питер Годдард, Джеффри Голдстоун, Claudio Rebbi, и Чарльз Торн, giving a space-time picture to the vertex operators introduced by Veneziano and Fubini and a geometrical interpretation to the Virasoro conditions.

В 1971 г. Пьер Рамон added fermions to the model, which led him to formulate a two-dimensional supersymmetry to cancel the wrong-sign states. Джон Шварц и Андре Невё added another sector to the fermi theory a short time later. In the fermion theories, the critical dimension was 10. Стэнли Мандельштам formulated a world sheet conformal theory for both the bose and fermi case, giving a two-dimensional field theoretic path-integral to generate the operator formalism. Мичио Каку и Keiji Kikkawa gave a different formulation of the bosonic string, as a string field theory, with infinitely many particle types and with fields taking values not on points, but on loops and curves.

В 1974 г. Тамиаки Ёнея discovered that all the known string theories included a massless spin-two particle that obeyed the correct Идентификаторы прихода to be a graviton. John Schwarz and Джоэль Шерк came to the same conclusion and made the bold leap to suggest that string theory was a theory of gravity, not a theory of hadrons. They reintroduced Теория Калуцы – Клейна as a way of making sense of the extra dimensions. В то же время, квантовая хромодинамика was recognized as the correct theory of hadrons, shifting the attention of physicists and apparently leaving the bootstrap program in the dustbin of history.

String theory eventually made it out of the dustbin, but for the following decade all work on the theory was completely ignored. Still, the theory continued to develop at a steady pace thanks to the work of a handful of devotees. Фердинандо Глиоцци, Joël Scherk, and Дэвид Олив realized in 1977 that the original Ramond and Neveu Schwarz-strings were separately inconsistent and needed to be combined. The resulting theory did not have a tachyon, and was proven to have space-time supersymmetry by John Schwarz and Майкл Грин in 1984. The same year, Александр Поляков gave the theory a modern path integral formulation, and went on to develop conformal field theory extensively. В 1979 г. Даниэль Фридан showed that the equations of motions of string theory, which are generalizations of the Уравнения Эйнштейна из общая теория относительности, emerge from the ренормгруппа equations for the two-dimensional field theory. Schwarz and Green discovered T-duality, and constructed two superstring theories—IIA and IIB related by T-duality, and type I theories with open strings. The consistency conditions had been so strong, that the entire theory was nearly uniquely determined, with only a few discrete choices.

Первая суперструнная революция

Эдвард Виттен

В начале 1980-х гг. Эдвард Виттен discovered that most theories of quantum gravity could not accommodate хиральный fermions like the neutrino. This led him, in collaboration with Luis Álvarez-Gaumé, to study violations of the conservation laws in gravity theories with anomalies, concluding that type I string theories were inconsistent. Green and Schwarz discovered a contribution to the anomaly that Witten and Alvarez-Gaumé had missed, which restricted the gauge group of the type I string theory to be SO(32). In coming to understand this calculation, Edward Witten became convinced that string theory was truly a consistent theory of gravity, and he became a high-profile advocate. Following Witten's lead, between 1984 and 1986, hundreds of physicists started to work in this field, and this is sometimes called the first superstring revolution.^{[нужна цитата ]}

В течение этого периода, Дэвид Гросс, Jeffrey Harvey, Эмиль Мартинек, и Райан Ром обнаруженный heterotic strings. The gauge group of these closed strings was two copies of E8, and either copy could easily and naturally include the standard model. Филип Канделас, Гэри Горовиц, Эндрю Строминджер and Edward Witten found that the Calabi–Yau manifolds are the compactifications that preserve a realistic amount of supersymmetry, while Lance Dixon and others worked out the physical properties of орбифолды, distinctive geometrical singularities allowed in string theory. Джумрун Вафа generalized T-duality from circles to arbitrary manifolds, creating the mathematical field of зеркальная симметрия. Даниэль Фридан, Эмиль Мартинек и Стивен Шенкер further developed the covariant quantization of the superstring using conformal field theory techniques. Дэвид Гросс and Vipul Periwal discovered that string perturbation theory was divergent. Стивен Шенкер showed it diverged much faster than in field theory suggesting that new non-perturbative objects were missing.^{[нужна цитата ]}

Джозеф Полчински

В 1990-е годы Джозеф Полчински discovered that the theory requires higher-dimensional objects, called D-branes and identified these with the black-hole solutions of supergravity. These were understood to be the new objects suggested by the perturbative divergences, and they opened up a new field with rich mathematical structure. It quickly became clear that D-branes and other p-branes, not just strings, formed the matter content of the string theories, and the physical interpretation of the strings and branes was revealed—they are a type of black hole. Леонард Сасскинд had incorporated the голографический принцип из Gerardus 't Hooft into string theory, identifying the long highly excited string states with ordinary thermal black hole states. As suggested by 't Hooft, the fluctuations of the black hole horizon, the world-sheet or world-volume theory, describes not only the degrees of freedom of the black hole, but all nearby objects too.

Вторая суперструнная революция

In 1995, at the annual conference of string theorists at the University of Southern California (USC), Эдвард Виттен gave a speech on string theory that in essence united the five string theories that existed at the time, and giving birth to a new 11-dimensional theory called М-теория. M-theory was also foreshadowed in the work of Пол Таунсенд примерно в то же время. The flurry of activity that began at this time is sometimes called the вторая суперструнная революция.^[31]

Хуан Малдасена

В течение этого периода, Том Бэнкс, Вилли Фишлер, Стивен Шенкер и Леонард Сасскинд formulated matrix theory, a full holographic description of M-theory using IIA D0 branes.^[48] This was the first definition of string theory that was fully non-perturbative and a concrete mathematical realization of the голографический принцип. It is an example of a gauge-gravity duality and is now understood to be a special case of the AdS / CFT корреспонденция. Эндрю Строминджер и Джумрун Вафа calculated the entropy of certain configurations of D-branes and found agreement with the semi-classical answer for extreme charged black holes.^[59] Петр Горжава and Witten found the eleven-dimensional formulation of the heterotic string theories, showing that orbifolds solve the chirality problem. Witten noted that the effective description of the physics of D-branes at low energies is by a supersymmetric gauge theory, and found geometrical interpretations of mathematical structures in gauge theory that he and Натан Зайберг had earlier discovered in terms of the location of the branes.

В 1997 г. Хуан Малдасена noted that the low energy excitations of a theory near a black hole consist of objects close to the horizon, which for extreme charged black holes looks like an пространство анти-де Ситтера.^[68] He noted that in this limit the gauge theory describes the string excitations near the branes. So he hypothesized that string theory on a near-horizon extreme-charged black-hole geometry, an anti-de Sitter space times a sphere with flux, is equally well described by the low-energy limiting калибровочная теория, то N = 4 суперсимметричная теория Янга – Миллса. This hypothesis, which is called the AdS / CFT корреспонденция, was further developed by Стивен Габсер, Игорь Клебанов и Александр Поляков,^[69] и по Эдвард Виттен,^[70] and it is now well-accepted. It is a concrete realization of the голографический принцип, which has far-reaching implications for черные дыры, местонахождение и Информация in physics, as well as the nature of the gravitational interaction.^[53] Through this relationship, string theory has been shown to be related to gauge theories like квантовая хромодинамика and this has led to more quantitative understanding of the behavior of адроны, bringing string theory back to its roots.^{[нужна цитата ]}

Критика

Количество решений

To construct models of particle physics based on string theory, physicists typically begin by specifying a shape for the extra dimensions of spacetime. Each of these different shapes corresponds to a different possible universe, or "vacuum state", with a different collection of particles and forces. String theory as it is currently understood has an enormous number of vacuum states, typically estimated to be around 10⁵⁰⁰, and these might be sufficiently diverse to accommodate almost any phenomenon that might be observed at low energies.^[118]

Many critics of string theory have expressed concerns about the large number of possible universes described by string theory. В его книге Not Even Wrong, Питер Войт, a lecturer in the mathematics department at Колумбийский университет, утверждал, что большое количество различных физических сценариев делает теорию струн бессмысленной как основу для построения моделей физики элементарных частиц. По словам Войта,

Возможное существование, скажем, 10⁵⁰⁰ согласованность различных состояний вакуума для теории суперструн, вероятно, разрушает надежду на использование этой теории для предсказания чего-либо. Если выбрать среди этого большого набора только те состояния, свойства которых согласуются с текущими экспериментальными наблюдениями, вполне вероятно, что их все еще будет так много, что можно будет получить практически любое значение для результатов любого нового наблюдения.^[119]

Некоторые физики считают, что такое большое количество решений на самом деле является достоинством, поскольку оно может позволить естественное антропное объяснение наблюдаемых значений физические константы, в частности малое значение космологической постоянной.^[119] В антропный принцип Идея состоит в том, что некоторые числа, фигурирующие в законах физики, не фиксируются никаким фундаментальным принципом, но должны быть совместимы с эволюцией разумной жизни. В 1987 г. Стивен Вайнберг опубликовал статью, в которой утверждал, что космологическая постоянная не могла быть слишком большой, иначе галактики и разумная жизнь не смогла бы развиться.^[120] Вайнберг предположил, что может существовать огромное количество возможных последовательных вселенных, каждая с различным значением космологической постоянной, и наблюдения указывают на небольшое значение космологической постоянной только потому, что люди живут во вселенной, которая допускает разумную жизнь, и следовательно, наблюдатели существуют.^[121]

Теоретик струн Леонард Сасскинд утверждал, что теория струн обеспечивает естественное антропное объяснение небольшого значения космологической постоянной.^[122] Согласно Сасскинду, различные вакуумные состояния теории струн могут быть реализованы как разные вселенные в пределах большего мультивселенная. Тот факт, что наблюдаемая Вселенная имеет небольшую космологическую постоянную, является лишь тавтологическим следствием того факта, что для существования жизни требуется небольшое значение.^[123] Многие известные теоретики и критики не согласились с выводами Сасскинда.^[124] По словам Войта, «в этом случае [антропные рассуждения] являются не более чем оправданием неудач. Спекулятивные научные идеи терпят неудачу не только тогда, когда они делают неверные прогнозы, но и когда они оказываются бессмысленными и неспособными что-либо предсказывать».^[125]

Совместимость с темной энергией

Известно, что в теории струн нет вакуума, поддерживающего метастабильную положительную космологическая постоянная, кроме, возможно, одной неподтвержденной модели, описанной Качру и другие. в 2003 г.^[126] В 2018 году группа из четырех физиков выдвинула спорную гипотезу, которая подразумевала, что такой вселенной не существует. Это противоречит некоторым популярным моделям темная энергия Такие как Λ-CDM, что требует положительной энергии вакуума. Однако теория струн, вероятно, совместима с некоторыми типами квинтэссенция, где темная энергия вызвана новым полем с экзотическими свойствами.^[127]

Фоновая независимость

Одно из фундаментальных свойств общей теории относительности Эйнштейна состоит в том, что она фон независимый, что означает, что формулировка теории никоим образом не отдает предпочтения какой-либо конкретной геометрии пространства-времени.^[128]

Одним из основных критических замечаний в отношении теории струн с самого начала является то, что она не является явно независимой от фона. В теории струн обычно необходимо указать фиксированную справочную геометрию для пространства-времени, а все другие возможные геометрии описываются как возмущения этой фиксированной геометрии. В его книге Проблема с физикой, физик Ли Смолин из Институт теоретической физики Периметр утверждает, что это основная слабость теории струн как теории квантовой гравитации, и утверждает, что теория струн не смогла учесть это важное открытие общей теории относительности.^[129]

Другие не согласны с характеристикой теории струн Смолина. В рецензии на книгу Смолина теоретик струн Иосиф Полчинский пишет:

[Смолин] ошибочно принимает один из аспектов используемого математического языка за один из описываемых аспектов физики. Новые физические теории часто открываются с использованием не самого подходящего для них математического языка ... В теории струн всегда было ясно, что физика не зависит от фона, даже если используемый язык не является таким, и поиск более подходящего языка продолжается. Действительно, как запоздало отмечает Смолин, [AdS / CFT] предлагает решение этой проблемы, причем неожиданное и действенное.^[130]

Полчински отмечает, что важной открытой проблемой квантовой гравитации является разработка голографических описаний гравитации, которые не требуют, чтобы гравитационное поле было асимптотически анти-де Ситтером.^[130] Смолин ответил, сказав, что соответствие AdS / CFT, как оно сейчас понимается, может быть недостаточно сильным, чтобы разрешить все опасения по поводу фоновой независимости.^[131]

Социология науки

После суперструнной революции 1980-х и 1990-х годов теория струн стала доминирующей парадигмой теоретической физики высоких энергий.^[132] Некоторые теоретики струн выразили мнение, что не существует столь же успешной альтернативной теории, решающей глубокие вопросы фундаментальной физики. В интервью 1987 г. Нобелевский лауреат Дэвид Гросс сделал следующие противоречивые комментарии о причинах популярности теории струн:

Самая главная [причина] в том, что других хороших идей нет. Это то, что привлекает к этому большинство людей. Когда люди начали интересоваться теорией струн, они ничего о ней не знали. Фактически, первая реакция большинства людей состоит в том, что теория чрезвычайно уродлива и неприятна, по крайней мере, так было несколько лет назад, когда понимание теории струн было гораздо менее развито. Людям было трудно узнать об этом и возбудиться. Поэтому я думаю, что настоящая причина, по которой людей это привлекает, заключается в том, что в городе нет другой игры. Все другие подходы к построению теорий великого объединения, которые изначально были более консервативными и только постепенно становились все более и более радикальными, потерпели неудачу, и эта игра еще не провалилась.^[133]

Несколько других известных теоретиков и комментаторов высказали аналогичные взгляды, предполагая, что нет реальных альтернатив теории струн.^[134]

Многие критики теории струн прокомментировали такое положение вещей. В своей книге, критикующей теорию струн, Питер Войт рассматривает статус исследования теории струн как нездоровый и вредный для будущего фундаментальной физики. Он утверждает, что чрезвычайная популярность теории струн среди физиков-теоретиков отчасти является следствием финансовой структуры академических кругов и жесткой конкуренции за ограниченные ресурсы.^[135] В его книге Дорога к реальности, математик-физик Роджер Пенроуз выражает аналогичные взгляды, заявляя: "Часто безумная конкуренция, которую порождает такая простота общения, приводит к побочные эффекты, где исследователи опасаются остаться позади, если они не присоединятся ".^[136] Пенроуз также утверждает, что техническая сложность современной физики заставляет молодых ученых полагаться на предпочтения авторитетных исследователей, а не прокладывать новые пути самостоятельно.^[137] Ли Смолин выражает несколько иную позицию в своей критике, утверждая, что теория струн выросла из традиции физики элементарных частиц, которая препятствует спекуляциям об основах физики, в то время как его предпочтительный подход: петля квантовой гравитации, способствует более радикальному мышлению. По словам Смолина,

Теория струн - мощная, хорошо мотивированная идея, заслуживающая большей части работы, посвященной ей. Если до сих пор она терпела неудачу, основная причина заключается в том, что ее внутренние недостатки тесно связаны с ее сильными сторонами - и, конечно, история еще не закончена, поскольку теория струн вполне может оказаться частью истины. Настоящий вопрос заключается не в том, почему мы потратили так много энергии на теорию струн, а в том, почему мы не израсходовали достаточно энергии на альтернативные подходы.^[138]

Смолин предлагает ряд рецептов, как ученые могут поощрять большее разнообразие подходов к исследованиям квантовой гравитации.^[139]

Примечания

Рекомендации

Библиография

дальнейшее чтение

Научно-популярная

• Грин, Брайан (2003). Элегантная вселенная: суперструны, скрытые измерения и поиски окончательной теории. Нью-Йорк: W.W. Нортон и компания. ISBN  978-0-393-05858-1.
• Грин, Брайан (2004). Ткань космоса: пространство, время и фактура реальности. Нью-Йорк: Альфред А. Кнопф. Bibcode:2004fcst.book ..... G. ISBN  978-0-375-41288-2.
• Пенроуз, Роджер (2005). Дорога к реальности: полное руководство по законам Вселенной. Кнопф. ISBN  978-0-679-45443-4.
• Смолин, Ли (2006). Проблемы с физикой: расцвет теории струн, падение науки и что будет дальше. Нью-Йорк: Houghton Mifflin Co. ISBN  978-0-618-55105-7.
• Войт, Питер (2006). Даже не неправильно: неудача теории струн и поиск единства в физическом законе. Лондон: Джонатан Кейп и: Нью-Йорк: Основные книги. ISBN  978-0-465-09275-8.

Учебники

• Грин, Майкл; Шварц, Джон; Виттен, Эдвард (2012). Теория суперструн. Vol. 1. Введение. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1107029118.
• Грин, Майкл; Шварц, Джон; Виттен, Эдвард (2012). Теория суперструн. Vol. 2: Амплитуды петель, аномалии и феноменология. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1107029132.
• Полчинский, Джозеф (1998). Теория струн Vol. 1. Введение в бозонную струну. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-63303-1.
• Полчинский, Джозеф (1998). Теория струн Vol. 2: Теория суперструн и не только. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-63304-8.
• Цвибах, Бартон (2009). Первый курс теории струн. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-88032-9.

внешняя ссылка

Сайты

• Даже не неправильно - Блог, критикующий теорию струн
• Официальный веб-сайт теории струн
• Почему теория струн - Введение в теорию струн.

видео

• BBC-горизонт: параллельный уни - Художественный документальный фильм 2002 г. BBC Horizon, эпизод Параллельные вселенные сосредоточить внимание на истории и появлении М-теории, а также на ученых-участницах.
• pbs.org-nova: элегантный уни — 2003 Премия Эмми - трехчасовой мини-сериал-победитель Новая звезда с Брайан Грин, адаптированный из его Элегантная Вселенная (оригинал PBS Даты трансляции: 28 октября с 20:00 до 22:00. и 4 ноября, с 20 до 21, 2003 г.).