Teoría cuántica de cuerdas en palabras sencillas. Brevemente sobre la teoría de cuerdas.

Física teórica Es oscuro para muchos, pero al mismo tiempo es de suma importancia en el estudio del mundo que nos rodea. La tarea de cualquier físico teórico es construir un modelo matemático, una teoría capaz de explicar ciertos procesos de la naturaleza.

Necesidad

Como es sabido, leyes fisicas El macrocosmos, es decir, el mundo en el que existimos, difiere significativamente de las leyes de la naturaleza en el microcosmos, dentro del cual viven átomos, moléculas y partículas elementales. Un ejemplo sería un principio difícil de entender llamado dualismo de ondas carpusculares, según el cual los microobjetos (electrones, protones y otros) pueden ser tanto partículas como ondas.

Al igual que nosotros, los físicos teóricos queremos describir el mundo de forma breve y clara, que es el objetivo principal de la teoría de cuerdas. Puede ayudar a explicar algunas procesos fisicos, tanto a nivel del macrocosmos como a nivel del microcosmos, lo que lo hace universal, uniendo otras teorías previamente no relacionadas (relatividad general y mecánica cuántica).

La esencia

Según la teoría de cuerdas, el mundo entero no está construido a partir de partículas, como se cree hoy, sino a partir de objetos infinitamente delgados de 10 a 35 m de largo que tienen la capacidad de vibrar, lo que nos permite establecer una analogía con las cuerdas. Mediante un complejo mecanismo matemático, estas vibraciones pueden asociarse con la energía, y por tanto con la masa, es decir, cualquier partícula surge como resultado de uno u otro tipo de vibración de una cuerda cuántica;

Problemas y características

Como cualquier teoría no confirmada, la teoría de cuerdas tiene una serie de problemas que indican que requiere mejoras. Estos problemas incluyen, por ejemplo, los siguientes: como resultado de los cálculos, matemáticamente hubo nuevo tipo partículas que no pueden existir en la naturaleza: taquiones, cuyo cuadrado de masa menos que cero, y la velocidad del movimiento excede la velocidad de la luz.

El otro asunto importante, o más bien la peculiaridad es la existencia de la teoría de cuerdas sólo en un espacio de 10 dimensiones. ¿Por qué percibimos otras dimensiones? “Los científicos han llegado a la conclusión de que, a escalas muy pequeñas, estos espacios se pliegan y se cierran sobre sí mismos, haciéndonos imposible identificarlos.

Desarrollo

Hay dos tipos de partículas: fermiones, partículas de materia, y bosones, portadores de interacción. Por ejemplo, un fotón es un bosón que transporta interacción electromagnética, gravitón: gravitacional, o el mismo bosón de Higgs, que propaga la interacción con el campo de Higgs. Entonces, si la teoría de cuerdas solo tenía en cuenta los bosones, la teoría de supercuerdas también tenía en cuenta los fermiones, lo que hizo posible deshacerse de los taquiones.

La versión final del principio de las supercuerdas fue desarrollada por Edward Witten y se llama "teoría m", según la cual unir todos diferentes versiones La teoría de supercuerdas debería introducir la undécima dimensión.

Probablemente podamos terminar aquí. Los físicos teóricos están trabajando diligentemente para resolver problemas y perfeccionar el modelo matemático existente. diferentes paises paz. Quizás pronto seamos finalmente capaces de comprender la estructura del mundo que nos rodea, pero mirando retrospectivamente el alcance y la complejidad de lo anterior, es obvio que la descripción resultante del mundo no será comprensible sin una cierta base de conocimiento en el campo de la física y las matemáticas.

Preguntas clave:

¿Cuáles son los componentes fundamentales del Universo, los “primeros ladrillos de la materia”? ¿Existen teorías que puedan explicar todos los fenómenos físicos básicos?

Pregunta: ¿es esto real?

Actualmente y en el futuro previsible, la observación directa a una escala tan pequeña no es posible. La física está en busca y se están realizando experimentos, por ejemplo, para detectar partículas supersimétricas o buscar dimensiones adicionales Los aceleradores pueden indicar que la teoría de cuerdas está en el camino correcto.

Ya sea que la teoría de cuerdas sea la teoría del todo o no, nos brinda un conjunto único de herramientas para examinar las estructuras más profundas de la realidad.

Teoria de las cuerdas

Macro y micro

Al describir el Universo, la física lo divide en dos mitades aparentemente incompatibles: el micromundo cuántico y el macromundo, dentro del cual se describe la gravedad.

La teoría de cuerdas es un intento controvertido de combinar estas mitades en una "teoría del todo".

Partículas e interacciones.

El mundo está hecho de dos tipos. partículas elementales- fermiones y bosones. Todos los fermiones son materia observable y los bosones son portadores de las cuatro interacciones fundamentales conocidas: débil, electromagnética, fuerte y gravitacional. Utilizando una teoría llamada Modelo Estándar, los físicos han podido describir y probar elegantemente las tres fuerzas fundamentales, todas excepto la más débil: las fuerzas gravitacionales. Hoy en día, el Modelo Estándar es el modelo más preciso y confirmado experimentalmente de nuestro mundo.

¿Por qué necesitamos la teoría de cuerdas?

El Modelo Estándar no incluye la gravedad, no puede describir el centro de un agujero negro ni el Big Bang y no explica los resultados de algunos experimentos. La teoría de cuerdas es un intento de resolver estos problemas y unificar la materia y las interacciones reemplazando partículas elementales con pequeñas cuerdas vibrantes.

La teoría de cuerdas se basa en la idea de que todas las partículas elementales pueden representarse como un "primer ladrillo" elemental: una cuerda. Las cuerdas pueden vibrar y diferentes modas Tales oscilaciones a gran distancia nos parecerán diversas partículas elementales. Un modo de vibración hará que la cuerda parezca un fotón, otro hará que parezca un electrón.

Incluso existe un modo que describe al portador de la interacción gravitacional: ¡el gravitón! Las variantes de la teoría de cuerdas describen cuerdas de dos tipos: abiertas (1) y cerradas (2). Las cuerdas abiertas tienen dos extremos (3) ubicados en estructuras similares a membranas llamadas D-branas, y su dinámica describe tres de los cuatro interacciones fundamentales- todo excepto gravitacional.

Las cuerdas cerradas se parecen a los bucles, no están ligadas a las D-branas; son los modos de vibración de las cuerdas cerradas los que están representados por un gravitón sin masa. Los extremos de una cuerda abierta pueden unirse para formar una cuerda cerrada, que a su vez puede romperse para convertirse en una cuerda abierta, o converger y dividirse en dos cuerdas cerradas (5); por lo tanto, en la teoría de cuerdas, la interacción gravitacional se combina con todas las demás.

Las cuerdas son los objetos más pequeños sobre los que opera la física. El rango de tamaños V de los objetos que se muestran en la imagen de arriba se extiende a 34 órdenes de magnitud - si el átomo fuera del tamaño de sistema solar, entonces el tamaño de la cuerda podría ser un poco más grande núcleo atómico.

Dimensiones adicionales

Las teorías de cuerdas consistentes sólo son posibles en el espacio de dimensiones superiores, donde además de la conocida cuarta dimensión espacio-temporal, se requieren seis dimensiones adicionales. Los teóricos creen que estas dimensiones adicionales se pliegan en formas esquivas y pequeñas: los espacios de Calabi-Yau. Uno de los problemas de la teoría de cuerdas es que casi existe número infinito variantes de convolución (compactación) de Calabi-Yau, que nos permite describir cualquier mundo, y hasta ahora no hay forma de encontrar esa versión de compactación que nos permita describir lo que vemos a nuestro alrededor.

Supersimetría

La mayoría de las versiones de la teoría de cuerdas requieren el concepto de supersimetría, que se basa en la idea de que los fermiones (materia) y los bosones (interacciones) son manifestaciones del mismo objeto y pueden transformarse entre sí.

¿La teoría del todo?

La supersimetría se puede incluir en la teoría de cuerdas diferentes caminos, lo que lleva a 5 varios tipos teoría de cuerdas, lo que significa que la teoría de cuerdas en sí misma no puede pretender ser la "teoría del todo". Estos cinco tipos están relacionados entre sí mediante transformaciones matemáticas llamadas dualidades, y esto ha llevado a comprender que todos estos tipos son aspectos de algo más general. Esta teoría más general se llama Teoría M.

Hay cinco formulaciones diferentes de la teoría de cuerdas, pero tras un examen más detenido, resulta que todas ellas son manifestaciones de más teoria general

A principios del siglo XX, dos soportes de carga del moderno el conocimiento científico. Una de ellas es la teoría general de la relatividad de Einstein, que explica el fenómeno de la gravedad y la estructura del espacio-tiempo. La otra es la mecánica cuántica, que describe procesos físicos a través del prisma de la probabilidad. La teoría de cuerdas pretende combinar estos dos enfoques. Se puede explicar breve y claramente mediante analogías de la vida cotidiana.

Teoría de cuerdas en términos simples

Las principales disposiciones de una de las "teorías del todo" más famosas son las siguientes:

1. La base del universo está formada por objetos extendidos que tienen forma de cuerdas;
2. Estos objetos tienden a realizar diversas vibraciones, como si se tratara de un instrumento musical;
3. Como resultado de estas vibraciones se forman diversas partículas elementales (quarks, electrones, etc.).
4. La masa del objeto resultante es directamente proporcional a la amplitud de la vibración perfecta;
5. La teoría ayuda a proporcionar nuevos conocimientos sobre los agujeros negros;
6. Además, con la ayuda de la nueva enseñanza, fue posible revelar la fuerza de la gravedad en las interacciones entre partículas fundamentales;
7. En contraste con las ideas actualmente dominantes sobre el mundo de cuatro dimensiones, en nueva teoría se introducen medidas adicionales;
8. Actualmente, el concepto aún no ha sido aceptado oficialmente por la comunidad científica en general. No se conoce ni un solo experimento que confirme sobre el papel esta teoría armoniosa y verificada.

Referencia histórica

La historia de este paradigma abarca varias décadas de intensa investigación. Gracias a los esfuerzos conjuntos de físicos de todo el mundo, se desarrolló una teoría coherente que incluía los conceptos de materia condensada, cosmología y matemáticas teóricas.

Las principales etapas de su desarrollo:

1. 1943-1959 Apareció la doctrina de la matriz s de Werner Heisenberg, dentro de la cual se proponía descartar los conceptos de espacio y tiempo para los fenómenos cuánticos. Heisenberg fue el primero en descubrir que los participantes en interacciones fuertes son objetos extendidos, no puntos;
2. 1959-1968 Se descubrieron partículas con altos espines (momentos de rotación). El físico italiano Tullio Regge propondrá agrupar los estados cuánticos en trayectorias (que llevan su nombre);
3. 1968-1974 Garibral Veneziano propuso un modelo de doble resonancia para describir interacciones fuertes. Yoshiro Nambu desarrolló esta idea y describió fuerzas nucleares como cuerdas vibrantes unidimensionales;
4. 1974-1994 El descubrimiento de las supercuerdas, en gran parte gracias al trabajo del científico ruso Alexander Polyakov;
5. 1994-2003 El surgimiento de la teoría M permitió más de 11 dimensiones;
6. 2003 - presente v. Michael Douglas desarrolló la teoría de cuerdas del paisaje con el concepto falso vacío.

Teoría cuántica de cuerdas

Objetos clave en el nuevo paradigma científico son los mejores objetos, cuales son sus movimientos oscilatorios impartir masa y carga a cualquier partícula elemental.

Las principales propiedades de las cuerdas según las ideas modernas:

• Su longitud es extremadamente pequeña: entre 10 y 35 metros. A esta escala, las interacciones cuánticas se vuelven discernibles;
• Sin embargo, en condiciones ordinarias condiciones de laboratorio, que no tratan con objetos tan pequeños, una cuerda es absolutamente indistinguible de un objeto puntual adimensional;
• Una característica importante de un objeto de cuerda es la orientación. Las cuerdas que lo poseen están emparejadas con direccion opuesta. También hay casos no dirigidos.

Las cuerdas pueden existir tanto en forma de segmento limitado en ambos extremos como en forma de bucle cerrado. Además, son posibles las siguientes transformaciones:

• Un segmento o bucle puede "multiplicarse" para dar lugar a un par de objetos correspondientes;
• Un segmento da lugar a un bucle si parte de él “hace un bucle”;
• El bucle se rompe y se convierte en una cuerda abierta;
• Dos segmentos intercambian segmentos.

Otros objetos fundamentales

En 1995 resultó que no sólo los objetos unidimensionales son los componentes básicos de nuestro universo. Se predijo la existencia de formaciones inusuales - branas- en forma de cilindro o de anillo volumétrico, que presenten las siguientes características:

• Son varios miles de millones de veces más pequeños que los átomos;
• Puede propagarse por el espacio y el tiempo, tener masa y carga;
• En nuestro Universo representan objetos tridimensionales. Sin embargo, se sugiere que su forma es mucho más misteriosa, ya que una parte importante de ellos puede extenderse a otras dimensiones;
• El espacio multidimensional que se encuentra debajo de las branas es el hiperespacio;
• Estas estructuras están asociadas con la existencia de partículas que transportan gravedad: los gravitones. Se separan libremente de las branas y fluyen suavemente hacia otras dimensiones;
• Las interacciones electromagnéticas, nucleares y débiles también se localizan en las branas;
• Mayoría variedad importante son D-branas. Están adheridos a sus superficies. puntos finales cuerda abierta en el momento en que atraviesa el espacio.

Críticas

Como cualquiera revolución científica, éste rompe las espinas de los malentendidos y las críticas de los partidarios de puntos de vista tradicionales.

Entre los comentarios expresados ​​con más frecuencia:

• La introducción de dimensiones adicionales del espacio-tiempo crea la posibilidad hipotética de la existencia cantidad inmensa universos. Según el matemático Peter Volt, esto conduce a la imposibilidad de predecir procesos o fenómenos. Cada experimento comienza un gran número de diferentes escenarios que pueden interpretarse de diferentes maneras;
• No hay opción de confirmación. nivel moderno el desarrollo de la tecnología no permite la confirmación experimental o la refutación de la investigación documental;
• Las observaciones recientes de objetos astronómicos no se ajustan a la teoría, lo que obliga a los científicos a reconsiderar algunas de sus conclusiones;
• Varios físicos opinan que el concepto es especulativo e inhibe el desarrollo de otros conceptos fundamentales.

Quizás sea más fácil demostrar el teorema de Fermat que explicar la teoría de cuerdas con palabras sencillas. Su aparato matemático es tan extenso que sólo los científicos experimentados de los institutos de investigación más importantes pueden comprenderlo.

Todavía no está claro si los descubrimientos realizados con la punta de un bolígrafo durante las últimas décadas encontrarán una aplicación real. En caso afirmativo, nos espera algo maravilloso. nuevo mundo con antigravedad, múltiples universos y pistas sobre la naturaleza de los agujeros negros.

Vídeo: teoría de cuerdas breve y accesible

En este vídeo, el físico Stanislav Efremov te contará en palabras sencillas qué es la teoría de cuerdas:

En la escuela aprendimos que la materia está formada por átomos y los átomos están formados por núcleos alrededor de los cuales giran los electrones. Los planetas giran alrededor del sol de forma muy parecida, por lo que nos resulta fácil imaginarlo. Luego, el átomo se dividió en partículas elementales y se hizo más difícil imaginar la estructura del universo. A escala de partículas se aplican leyes diferentes y no siempre es posible encontrar una analogía con la vida. La física se ha vuelto abstracta y confusa.

Pero el siguiente paso de la física teórica devolvió la sensación de realidad. La teoría de cuerdas describió el mundo en términos que nuevamente son imaginables y, por lo tanto, más fáciles de entender y recordar.

El tema todavía no es fácil, así que vayamos en orden. Primero, averigüemos cuál es la teoría y luego intentemos comprender por qué se inventó. Y de postre, un poco de historia; la teoría de cuerdas tiene una historia corta, pero con dos revoluciones.

El universo está formado por hilos vibrantes de energía.

Antes de la teoría de cuerdas, las partículas elementales se consideraban puntos: formas adimensionales con ciertas propiedades. La teoría de cuerdas los describe como hilos de energía que tienen una dimensión: la longitud. Estos hilos unidimensionales se llaman cuerdas cuánticas.

Física teórica

Física teórica
describe el mundo utilizando las matemáticas, en contraposición a física experimental. El primer físico teórico fue Isaac Newton (1642-1727)

El núcleo de un átomo con electrones, partículas elementales y cuerdas cuánticas a través de los ojos de un artista. Fragmento documental"Universo elegante"

Las cuerdas cuánticas son muy pequeñas, su longitud es de unos 10 -33 cm. Esto es cien millones de billones de veces más pequeñas que los protones que chocan en el Gran Colisionador de Hadrones. Para experimentos similares Con cuerdas habría que construir un acelerador del tamaño de una galaxia. Aún no hemos encontrado una manera de detectar cuerdas, pero gracias a las matemáticas podemos adivinar algunas de sus propiedades.

Las cuerdas cuánticas están abiertas y cerradas.. Los extremos abiertos quedan libres, mientras que los extremos cerrados se cierran entre sí formando bucles. Las cuerdas se “abren” y “cierran” constantemente, se conectan con otras cuerdas y se dividen en otras más pequeñas.

Las cuerdas cuánticas se estiran. La tensión en el espacio se produce debido a la diferencia de energía: para cuerdas cerradas entre los extremos cerrados, para cuerdas abiertas, entre los extremos de las cuerdas y el vacío. Los físicos llaman a este vacío caras bidimensionales o branas, de la palabra membrana.

centímetros: el tamaño más pequeño posible de un objeto en el universo. Se llama longitud de Planck.

Estamos hechos de cuerdas cuánticas

Las cuerdas cuánticas vibran. Se trata de vibraciones similares a las vibraciones de las cuerdas de una balalaika, con ondas uniformes y todo un número de mínimos y máximos. Cuando la vibración cuerda cuántica no emite sonido, no hay nada que transmitir en la escala de partículas elementales vibraciones de sonido. Él mismo se convierte en una partícula: vibra a una frecuencia: un quark, a otra, un gluón, a una tercera, un fotón. Por lo tanto, una cuerda cuántica es un único elemento constructivo, un "ladrillo" del universo.

El Universo suele representarse como el espacio y las estrellas, pero también es nuestro planeta, tú y yo, el texto en la pantalla y las bayas del bosque.

Diagrama de vibraciones de cuerdas. A cualquier frecuencia, todas las ondas son iguales, su número es entero: uno, dos y tres.

Región de Moscú, 2016. Hay muchas fresas, sólo que más mosquitos. También están hechos de cuerdas.

Y el espacio está ahí afuera en alguna parte. volvamos al espacio

Entonces, en el centro del universo hay cuerdas cuánticas, hilos de energía unidimensionales que vibran, cambian de tamaño y forma e intercambian energía con otras cuerdas. Pero eso no es todo.

Las cuerdas cuánticas se mueven por el espacio. Y el espacio en la escala de las cuerdas es el más parte interesante teorías.

Las cuerdas cuánticas se mueven en 11 dimensiones

Theodore Kaluza
(1885-1954)

Todo empezó con Albert Einstein. Sus descubrimientos demostraron que el tiempo es relativo y lo unieron con el espacio en un único continuo espacio-tiempo. El trabajo de Einstein explicó la gravedad, el movimiento de los planetas y la formación de agujeros negros. Además, inspiraron a sus contemporáneos a realizar nuevos descubrimientos.

Einstein publicó las ecuaciones de la Teoría General de la Relatividad en 1915-16, y ya en 1919 el matemático polaco Theodor Kaluza intentó aplicar sus cálculos a la teoría. campo electromagnetico. Pero surgió la pregunta: si la gravedad einsteniana dobla las cuatro dimensiones del espacio-tiempo, ¿qué doblan las fuerzas electromagnéticas? La fe en Einstein era fuerte y Kaluza no tenía dudas de que sus ecuaciones describirían el electromagnetismo. En cambio, propuso que las fuerzas electromagnéticas estaban doblando una quinta dimensión adicional. A Einstein le gustó la idea, pero la teoría no fue probada mediante experimentos y quedó olvidada hasta la década de 1960.

Alberto Einstein (1879-1955)

Theodore Kaluza
(1885-1954)

Theodore Kaluza
(1885-1954)

Albert Einstein
(1879-1955)

Las primeras ecuaciones de la teoría de cuerdas produjeron resultados extraños. En ellos aparecieron taquiones, partículas con masa negativa quienes se estaban moviendo velocidad más rápida Luz. Aquí es donde resultó útil la idea de Kaluza sobre la multidimensionalidad del universo. Es cierto que cinco dimensiones no eran suficientes, como tampoco eran suficientes seis, siete o diez. ¡Las matemáticas de la primera teoría de cuerdas sólo tenían sentido si nuestro universo tuviera 26 dimensiones! Las teorías posteriores tenían suficientes diez, pero en la moderna hay once: diez espaciales y temporales.

Pero si es así, ¿por qué no vemos las siete dimensiones adicionales? La respuesta es sencilla: son demasiado pequeños. Desde la distancia, un objeto tridimensional parecerá plano: una tubería de agua aparecerá como una cinta y globo- todo al rededor. Incluso si pudiéramos ver objetos en otras dimensiones, no consideraríamos su multidimensionalidad. Los científicos llaman a este efecto. compactación.

Las dimensiones adicionales se combinan en formas imperceptiblemente pequeñas de espacio-tiempo: se llaman espacios de Calabi-Yau. Desde lejos parece plano.

Sólo podemos representar siete dimensiones adicionales en forma de modelos matemáticos. Son fantasías que se basan en las propiedades del espacio y el tiempo que conocemos. Al agregar una tercera dimensión, el mundo se vuelve tridimensional y podemos sortear el obstáculo. Quizás, utilizando el mismo principio, sea correcto agregar las siete dimensiones restantes, y luego a lo largo de ellas se puede recorrer el espacio-tiempo y llegar a cualquier punto de cualquier universo en cualquier momento.

mediciones en el universo según la primera versión de la teoría de cuerdas: la bosónica. Ahora se considera irrelevante.

Una línea tiene una sola dimensión: la longitud.

Un globo es tridimensional y tiene una tercera dimensión: la altura. Pero para un hombre bidimensional parece una línea.

Así como un hombre bidimensional no puede imaginar la multidimensionalidad, tampoco podemos imaginar todas las dimensiones del universo.

Según este modelo, las cuerdas cuánticas viajan siempre y a todas partes, lo que significa que las mismas cuerdas codifican las propiedades de todos los universos posibles desde su nacimiento hasta el fin de los tiempos. Desafortunadamente, nuestro globo está plano. Nuestro mundo es sólo una proyección cuatridimensional de un universo de once dimensiones en las escalas visibles del espacio-tiempo, y no podemos seguir las cuerdas.

Algún día veremos el Big Bang

Algún día calcularemos la frecuencia de las vibraciones de las cuerdas y la organización de dimensiones adicionales en nuestro universo. Luego aprenderemos absolutamente todo al respecto y podremos ver el Big Bang o volar a Alfa Centauri. Pero por ahora esto es imposible: no hay pistas sobre en qué confiar en los cálculos y encontrar los numeros necesarios Sólo es posible mediante la fuerza bruta. Los matemáticos han calculado que habrá 10.500 opciones para seleccionar. La teoría ha llegado a un callejón sin salida.

Sin embargo, la teoría de cuerdas todavía es capaz de explicar la naturaleza del universo. Para ello, debe conectar todas las demás teorías, convertirse en la teoría del todo.

La teoría de cuerdas se convertirá en la teoría del todo. Tal vez

En la segunda mitad del siglo XX, los físicos confirmaron una serie de teorías fundamentales sobre la naturaleza del universo. Parecía que un poco más y lo entenderíamos todo. Sin embargo, el problema principal aún no se ha resuelto: las teorías funcionan muy bien individualmente, pero no ofrecen una visión global.

Hay dos teorías principales: la teoría de la relatividad y la teoría cuántica de campos.

Opciones para organizar 11 dimensiones en espacios Calabi-Yau: suficientes para todos los universos posibles. A modo de comparación, el número de átomos en la parte observable del universo es de aproximadamente 10 80

Hay suficientes opciones para organizar los espacios Calabi-Yau para todos los universos posibles. A modo de comparación, el número de átomos en el universo observable es de aproximadamente 10 80.

Teoría de la relatividad
describió la interacción gravitacional entre planetas y estrellas y explicó el fenómeno de los agujeros negros. Esta es la física de un mundo visual y lógico.

Modelo interacción gravitacional La Tierra y la Luna en el espacio-tiempo einsteniano

Teoría cuántica de campos
determinó los tipos de partículas elementales y describió 3 tipos de interacción entre ellas: fuerte, débil y electromagnética. Esta es la física del caos.

El mundo cuántico a través de los ojos de un artista. Vídeo del sitio web de MiShorts

Teoría cuántica Los campos con masa añadida para neutrinos se llaman Modelo estandar. Ésta es la teoría básica de la estructura del universo a nivel cuántico. La mayoría de las predicciones de la teoría se confirman en experimentos.

El modelo estándar divide todas las partículas en fermiones y bosones. Los fermiones forman la materia; este grupo incluye todas las partículas observables, como el quark y el electrón. Los bosones son las fuerzas responsables de la interacción de fermiones, como el fotón y el gluón. Ya se conocen dos docenas de partículas y los científicos continúan descubriendo otras nuevas.

Es lógico suponer que la interacción gravitacional también la transmite su bosón. Aún no lo han encontrado, pero describieron sus propiedades y le dieron un nombre. gravitón.

Pero es imposible unir las teorías. Por Modelo estandar, partículas elementales - puntos adimensionales, que interactúan a distancias cero. Si se aplica esta regla al gravitón, las ecuaciones dan resultados infinitos, lo que les quita sentido. Ésta es sólo una de las contradicciones, pero ilustra bien lo lejos que está una física de otra.

Por lo tanto, los científicos están buscando teoría alternativa, capaz de unir todas las teorías en una sola. Esta teoría fue llamada teoría unificada campos, o teoría de todo.

Fermiones
Forman todo tipo de materia excepto la materia oscura.

bosones
transferir energía entre fermiones

La teoría de cuerdas podría unir al mundo científico

La teoría de cuerdas en este papel parece más atractiva que otras, ya que resuelve inmediatamente la contradicción principal. Las cuerdas cuánticas vibran, por lo que la distancia entre ellas Por encima de cero, y se pueden evitar resultados de cálculo imposibles para el gravitón. Y el propio gravitón encaja bien en el concepto de cuerdas.

Pero la teoría de cuerdas no ha sido probada mediante experimentos; sus logros permanecen en el papel. Aún más sorprendente es el hecho de que no haya sido abandonado en 40 años: su potencial es tan grande. Para entender por qué sucede esto, miremos hacia atrás y veamos cómo se desarrolló.

La teoría de cuerdas ha pasado por dos revoluciones

Gabriele Veneziano
(nacido en 1942)

Al principio, la teoría de cuerdas no se consideraba en absoluto candidata a la unificación de la física. Fue descubierto por accidente. En 1968, el joven físico teórico Gabriele Veneziano estudió las interacciones fuertes dentro del núcleo atómico. Inesperadamente, descubrió que estaban bien descritas por la función beta de Euler, un conjunto de ecuaciones que el matemático suizo Leonhard Euler había compilado 200 años antes. Era extraño: en aquella época el átomo se consideraba indivisible y el trabajo de Euler resolvía exclusivamente problemas de matematicas. Nadie entendió por qué funcionaban las ecuaciones, pero se utilizaron activamente.

Significado físico Las funciones beta de Euler se descubrieron dos años después. Tres físicos, Yoichiro Nambu, Holger Nielsen y Leonard Susskind, sugirieron que las partículas elementales podrían no ser puntos, sino cuerdas vibrantes unidimensionales. La fuerte interacción de tales objetos se describe idealmente mediante las ecuaciones de Euler. La primera versión de la teoría de cuerdas se llamó bosónica, ya que describía la naturaleza de las cuerdas de los bosones responsables de las interacciones de la materia y no se refería a los fermiones que la componen.

La teoría era cruda. Se trataba de taquiones y las principales predicciones contradecían los resultados experimentales. Y aunque fue posible deshacerse de los taquiones utilizando la multidimensionalidad de Kaluza, la teoría de cuerdas no echó raíces.

• Gabriele Veneziano
• Yoichiro Nambu
• Holger Nielsen
• Leonard Susskind
• Juan Schwartz
• miguel verde
• Eduardo Witten

• Gabriele Veneziano
• Yoichiro Nambu
• Holger Nielsen
• Leonard Susskind
• Juan Schwartz
• miguel verde
• Eduardo Witten

Pero la teoría todavía tiene seguidores leales. En 1971, Pierre Ramon añadió los fermiones a la teoría de cuerdas, reduciendo el número de dimensiones de 26 a diez. Esto marcó el comienzo teoría de la supersimetría.

Decía que cada fermión tiene su propio bosón, lo que significa que la materia y la energía son simétricas. No importa que el universo observable sea asimétrico, dijo Ramón, hay condiciones bajo las cuales todavía se observa simetría. Y si, según la teoría de cuerdas, los fermiones y los bosones están codificados por los mismos objetos, entonces, en estas condiciones, la materia se puede convertir en energía y viceversa. Esta propiedad de las cuerdas se llamó supersimetría, y la teoría de cuerdas misma se llamó teoría de supercuerdas.

En 1974, John Schwartz y Joel Sherk descubrieron que algunas de las propiedades de las cuerdas coincidían notablemente con las propiedades del supuesto portador de la gravedad, el gravitón. A partir de ese momento, la teoría empezó a pretender seriamente ser generalizadora.

Las dimensiones del espacio-tiempo estaban en la primera teoría de supercuerdas.

"La estructura matemática de la teoría de cuerdas es tan hermosa y tiene tantas propiedades asombrosas que seguramente debe apuntar a algo más profundo".

La primera revolución de las supercuerdas sucedió en 1984. John Schwartz y Michael Green presentaron modelo matemático, que demostró que muchas contradicciones entre la teoría de cuerdas y el modelo estándar pueden resolverse. Las nuevas ecuaciones también relacionaron la teoría con todos los tipos de materia y energía. Mundo científico Llegó la fiebre: los físicos abandonaron sus investigaciones y se dedicaron al estudio de las cuerdas.

Entre 1984 y 1986 se escribieron más de mil artículos sobre teoría de cuerdas. Demostraron que muchas de las disposiciones del modelo estándar y de la teoría de la gravedad, que se habían ido reconstruyendo a lo largo de los años, se derivan naturalmente de la física de cuerdas. La investigación ha convencido a los científicos de que una teoría unificadora está a la vuelta de la esquina.

"El momento en el que te introducen en la teoría de cuerdas y te das cuenta de que casi todos los avances más importantes en física del último siglo han fluido (y han fluido con tanta elegancia) desde un punto de partida tan simple, se demuestra claramente el increíble poder de esta teoría".

Pero la teoría de cuerdas no tenía prisa por revelar sus secretos. En lugar de problemas resueltos, surgieron otros nuevos. Los científicos han descubierto que no existe una, sino cinco teorías de supercuerdas. Las cuerdas en ellos tenían diferentes tipos supersimetría y no había manera de saber cuál teoría era la correcta.

Métodos matemáticos tenían sus límites. Los físicos están acostumbrados a ecuaciones complejas, que no dan resultados exactos, pero para la teoría de cuerdas no fue posible escribir ni siquiera ecuaciones exactas. Y los resultados aproximados de ecuaciones aproximadas no proporcionaron respuestas. Quedó claro que se necesitaban nuevas matemáticas para estudiar la teoría, pero nadie sabía qué tipo de matemáticas serían. El ardor de los científicos ha disminuido.

Segunda revolución de las supercuerdas tronó en 1995. El estancamiento llegó a su fin con la charla de Edward Witten en la Conferencia de Teoría de Cuerdas en el sur de California. Witten demostró que las cinco teorías son casos especiales de una teoría más general de supercuerdas, en la que no hay diez dimensiones, sino once. Witten llamó a la teoría unificadora Teoría M, o Madre de todas las teorías, de palabra inglesa Madre.

Pero había algo más que era más importante. La teoría M de Witten describió tan bien el efecto de la gravedad en la teoría de supercuerdas que se la llamó teoría supersimétrica de la gravedad, o teoría de la supergravedad. Esto inspiró a los científicos y revistas científicas volvió a publicar publicaciones sobre física de cuerdas.

mediciones espacio-temporales en teoría moderna supercuerdas

“La teoría de cuerdas es una parte de la física del siglo XXI que accidentalmente terminó en el siglo XX. Pueden pasar décadas, o incluso siglos, antes de que se desarrolle y comprenda plenamente".

Los ecos de esta revolución todavía se pueden escuchar hoy. Pero a pesar de todos los esfuerzos de los científicos, la teoría de cuerdas tiene más preguntas que respuestas. La ciencia moderna intenta construir modelos de un universo multidimensional y estudia las dimensiones como membranas del espacio. Se llaman branas. ¿Recuerdas el vacío con hilos abiertos extendidos a través de ellas? Se supone que las propias cuerdas pueden resultar bidimensionales o tridimensionales. Incluso están hablando de una nueva dimensión de 12 dimensiones. teoría fundamental— Teorías F, el Padre de todas las teorías, de la palabra Padre. La historia de la teoría de cuerdas está lejos de terminar.

La teoría de cuerdas aún no ha sido demostrada, pero tampoco ha sido refutada.

el problema principal teorías, en ausencia de evidencia directa. Sí, de esto se derivan otras teorías, los científicos suman 2 y 2, y resulta 4. Pero esto no significa que el cuatro esté formado por dos. Los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones aún no han descubierto la supersimetría, lo que confirmaría una sola base estructural universo y haría el juego a los partidarios de la física de cuerdas. Pero tampoco hay desmentidos. Por lo tanto, las elegantes matemáticas de la teoría de cuerdas continúan excitando las mentes de los científicos, prometiendo soluciones a todos los misterios del universo.

Cuando se habla de teoría de cuerdas no se puede dejar de mencionar a Brian Greene, profesor de la Universidad de Columbia e incansable divulgador de la teoría. Green da conferencias y aparece en televisión. En 2000, su libro “Universo Elegante. Supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de la teoría definitiva" quedó finalista Premio Pulitzer. En 2011, se interpretó a sí mismo en el episodio 83 de Theories. Big Bang" En 2013 visitó Moscú. Instituto Politécnico y le dio una entrevista a Lenta-ru.

Si no quieres convertirte en un experto en teoría de cuerdas, pero quieres entender en qué tipo de mundo vives, recuerda esta hoja de trucos:

1. El universo está formado por hilos de energía (cuerdas cuánticas) que vibran como cuerdas. instrumentos musicales. Diferentes frecuencias de vibración convierten las cuerdas en diferentes partículas.
2. Los extremos de las cuerdas pueden estar libres o cerrarse entre sí formando bucles. Las cuerdas están constantemente cerrándose, abriéndose e intercambiando energía con otras cuerdas.
3. Las cuerdas cuánticas existen en el universo de 11 dimensiones. Las 7 dimensiones adicionales están plegadas en formas elusivamente pequeñas de espacio-tiempo, por lo que no las vemos. Esto se llama compactación dimensional.
4. Si supiéramos exactamente cómo se pliegan las dimensiones de nuestro universo, podríamos viajar en el tiempo y a otras estrellas. Pero esto aún no es posible: hay demasiadas opciones por recorrer. Habría suficientes para todos los universos posibles.
5. La teoría de cuerdas puede unir todo teorías físicas y revelarnos los secretos del universo; existen todos los requisitos previos para ello. Pero aún no hay pruebas.
6. Otros descubrimientos se derivan lógicamente de la teoría de cuerdas. ciencia moderna. Desafortunadamente, esto no prueba nada.
7. La teoría de cuerdas ha sobrevivido a dos revoluciones de supercuerdas y a muchos años de olvido. Algunos científicos lo consideran ciencia ficción Otros creen que las nuevas tecnologías ayudarán a demostrarlo.
8. Lo más importante: si planeas contarles a tus amigos sobre la teoría de cuerdas, asegúrate de que no haya ningún físico entre ellos; ahorrarás tiempo y nervios. Y te parecerás a Brian Greene en el Politécnico:

Ya se ha hecho una pregunta similar aquí:

Pero intentaré contártelo con mi estilo característico;)

Tenemos una conversación muy larga por delante, pero espero que la encuentres interesante, hermano. En general, escuche cuál es el punto aquí. Idea principal Ya se ve en el nombre: en lugar de partículas elementales puntuales (como electrones, fotones, etc.), esta teoría propone cuerdas, una especie de hilos de energía unidimensionales, microscópicos y vibrantes, tan pequeños que no equipo moderno no se pueden detectar (específicamente, están ubicados en la longitud de Planck, pero ese no es el punto). No quiere decir que las partículas consistir hechos de cuerdas, ellos y ahí está cuerdas, simplemente debido a la imperfección de nuestro equipo, las vemos como partículas. Y si nuestro equipo es capaz de alcanzar la longitud de Planck, entonces, como era de esperar, encontraremos hilos allí. Y así como la cuerda de un violín vibra para producir notas diferentes, una cuerda cuántica vibra para producir varias propiedades partículas (por ejemplo, cargas o masas). Ésta, en general, es la idea principal.

Sin embargo, es importante señalar aquí que la teoría de cuerdas tiene grandes ambiciones y reclama nada menos que el estatus de "teoría del todo", que combina la gravedad (la teoría de la relatividad) y la mecánica cuántica (es decir, el macromundo - el mundo de objetos grandes que nos son familiares, y el micromundo, mundo de partículas elementales). La gravedad aparece elegantemente por sí sola en la teoría de cuerdas, y he aquí por qué. Al principio, la teoría de cuerdas se percibía generalmente sólo como una teoría de la fuerza fuerte. interacción nuclear(la interacción mediante la cual los protones y neutrones se mantienen unidos en el núcleo de un átomo), nada más, ya que algunos tipos de cuerdas vibrantes se parecían a las propiedades de los gluones (partículas portadoras fuerte interacción). Sin embargo, además de los gluones, existían otro tipo de oscilaciones de cuerdas, que recordaban a otras partículas que llevaban algún tipo de interacción, que nada tenían que ver con los gluones. Después de estudiar las propiedades de estas partículas, los científicos descubrieron que estas vibraciones coinciden exactamente con las propiedades de una partícula hipotética, un gravitón, una partícula que lleva interacción gravitacional. Así apareció la gravedad en la teoría de cuerdas.

Pero aquí nuevamente (¡qué vas a hacer!) surge un problema llamado “fluctuaciones cuánticas”. No tengas miedo, este término da miedo sólo en apariencia. Entonces, las fluctuaciones cuánticas están asociadas con el constante nacimiento y destrucción de partículas virtuales (aquellas que no se pueden ver directamente debido a su continua aparición y desaparición). El proceso más importante en este sentido es la aniquilación: la colisión de una partícula y una antipartícula con la formación de un fotón (partícula de luz), que posteriormente genera otra partícula y antipartícula. ¿Qué es esencialmente la gravedad? Es un tejido geométrico suavemente curvado del espacio-tiempo. La palabra clave aquí es fluidez. Y en mundo cuántico Debido a estas mismas fluctuaciones, el espacio no es liso y uniforme en absoluto, hay tal caos allí que incluso da miedo imaginarlo. Como probablemente ya comprenderá, la suave geometría del espacio de la teoría de la relatividad es completamente incompatible con las fluctuaciones cuánticas. Confundidos, pero los físicos han encontrado una solución, afirmando que la interacción de las cuerdas suaviza estas fluctuaciones. ¿Cómo, preguntas? Pero imaginemos dos hilos cerrados (pues también los hay abiertos, que son una especie de hilo pequeño con dos extremos abiertos; los hilos cerrados, por tanto, son una especie de bucles). Estas dos cuerdas cerradas están en curso de colisión y en algún momento chocan, convirtiéndose en una sola. tamaño más grande cadena. Esta cuerda continúa moviéndose durante algún tiempo, después del cual se divide en dos cuerdas más pequeñas. Ahora el siguiente paso. Imaginemos todo este proceso en imágenes filmadas: veremos que este proceso ha adquirido un cierto volumen tridimensional. Este volumen se llama "superficie del mundo". Ahora imaginemos que usted y yo estamos viendo todo este proceso bajo diferentes ángulos: Yo miro directamente y tú miras en un ligero ángulo. Veremos que desde tu punto de vista y desde mi punto de vista, las cuerdas chocarán en diferentes lugares, ya que para ti estos “bucles” de cuerdas (llamémoslos así) se moverán ligeramente en ángulo, pero para mí lo harán. muévete recto. Sin embargo, es el mismo proceso, las mismas dos cuerdas en colisión, la diferencia radica sólo en dos puntos de vista. Esto significa que hay una cierta "mancha" de la interacción de las cuerdas: desde la posición de diferentes observadores, interactúan en diferentes lugares. Sin embargo, a pesar de estos diferentes puntos Sin embargo, desde una perspectiva, el proceso es uno y el punto de interacción es uno. Así, diferentes observadores registrarán el mismo lugar de interacción de dos partículas puntuales. ¡Así! ¿Entiendes lo que está pasando? ¡Hemos suavizado las fluctuaciones cuánticas y así hemos unido la gravedad y la mecánica cuántica! ¡Mirar!

Bien, sigamos adelante. ¿Estás cansado todavía? Bueno, escucha. Ahora hablaré de algo que personalmente no me gusta mucho de la teoría de cuerdas. Y esto se llama “matematización”. De alguna manera los teóricos se dejaron llevar demasiado por las matemáticas... pero el punto aquí es simple: ¿cuántas dimensiones del espacio conoces? Así es, tres: largo, ancho y alto (el tiempo es la cuarta dimensión). Así pues, las matemáticas de la teoría de cuerdas se llevan muy mal con estas cuatro dimensiones. Y con cinco también. Y con diez. Pero se lleva bien con el once. Y los teóricos decidieron: bueno, como las matemáticas lo requieren, que haya once dimensiones. Verás, ¡las matemáticas requieren! ¡Matemáticas, no la realidad! (Exclamación a un lado: ¡si me equivoco, que alguien me convenza! ¡Quiero cambiar de opinión!) Bueno, ¿a dónde, cabría preguntarse, se fueron las otras siete dimensiones? La teoría responde a esta pregunta diciendo que están “compactados”, enrollados en formaciones microscópicas a la longitud de Planck (es decir, a una escala que no podemos observar). Estas formaciones se denominan “colector Calabi-Yau” (por los nombres de dos físicos destacados).

También es interesante que la teoría de cuerdas nos lleva al Multiverso, es decir, a la idea de la existencia número infinito universos paralelos. La cuestión aquí es que en la teoría de cuerdas no sólo hay cuerdas, sino también branas (de la palabra "membrana"). Las branas pueden ser diferentes tamaños, hasta nueve. Se supone que vivimos en una 3-brana, pero puede haber otras cerca de esta brana y pueden chocar periódicamente. Pero no los vemos porque hay cuerdas abiertas fuertemente unidas a la brana en ambos extremos. Estos hilos con sus extremos pueden moverse a lo largo de la brana, pero no pueden salir de ella (desengancharse). Y si crees en la teoría de cuerdas, entonces toda la materia y todos nosotros estamos formados por partículas que, a la longitud de Planck, parecen cuerdas. En consecuencia, dado que las cuerdas abiertas no pueden salir de la brana, entonces no podemos interactuar de ninguna manera con otra brana (léase: universo paralelo) o de alguna manera verla. La única partícula a la que, en principio, no le importa esta limitación y puede hacerlo es el hipotético gravitón, que es una cuerda cerrada. Sin embargo, todavía nadie ha podido detectar un gravitón. Tal Multiverso se llama “Multiverso brana” o “escenario mundial brana”.

Por cierto, debido al hecho de que en la teoría de cuerdas no solo se descubrieron cuerdas, sino también branas, los teóricos comenzaron a llamarla "teoría M", pero nadie sabe realmente qué significa esta "M";)

Así. Esta es la historia. Espero que te haya resultado interesante, hermano. Si algo no queda claro, pregunta en los comentarios y te lo explicaré.