Théorie des cordes dans une présentation populaire. Qu'est-ce que la théorie des cordes

Au début du XXe siècle, deux piliers de la connaissance scientifique moderne se sont constitués. L’une d’elles est la théorie générale de la relativité d’Einstein, qui explique le phénomène de gravité et la structure de l’espace-temps. L'autre est la mécanique quantique, qui décrit processus physiquesà travers le prisme des probabilités. La théorie des cordes vise à combiner ces deux approches. Cela peut être expliqué brièvement et clairement en utilisant des analogies avec la vie quotidienne.

La théorie des cordes en termes simples

Les principales dispositions de l’une des « théories du tout » les plus célèbres se résument à ce qui suit :

La base de l'univers est constituée d'objets étendus en forme de cordes ;
Ces objets ont tendance à subir diverses vibrations, comme s'ils étaient allumés. instrument de musique;
À la suite de ces vibrations, diverses particules élémentaires (quarks, électrons, etc.) se forment.
La masse de l'objet résultant est directement proportionnelle à l'amplitude de la vibration parfaite ;
La théorie contribue à fournir de nouvelles informations sur les trous noirs ;
De plus, grâce au nouvel enseignement, il a été possible de révéler la force de gravité dans les interactions entre les particules fondamentales ;
Contrairement aux idées actuellement dominantes sur le monde à quatre dimensions, la nouvelle théorie introduit des dimensions supplémentaires ;
Actuellement, le concept n’a pas encore été officiellement accepté par la communauté scientifique au sens large. Il n’existe pas une seule expérience connue qui confirmerait sur papier cette théorie harmonieuse et vérifiée.

Contexte historique

L’histoire de ce paradigme s’étend sur plusieurs décennies de recherche intensive. Grâce aux efforts conjoints des physiciens du monde entier, une théorie cohérente a été développée, incluant les concepts de matière condensée, de cosmologie et de mathématiques théoriques.

Les principales étapes de son développement :

1943-1959 La doctrine de la matrice S de Werner Heisenberg est apparue, dans laquelle il a été proposé d'abandonner les concepts d'espace et de temps pour les phénomènes quantiques. Heisenberg a été le premier à découvrir que les participants aux interactions fortes sont des objets étendus et non des points ;
1959-1968 Des particules avec des spins (moments de rotation) élevés ont été découvertes. Le physicien italien Tullio Regge proposera de regrouper les états quantiques en trajectoires (qui portent son nom) ;
1968-1974 Garibrele Veneziano a proposé un modèle de double résonance pour décrire les interactions fortes. Yoshiro Nambu a développé cette idée et décrit les forces nucléaires comme des cordes vibrantes unidimensionnelles ;
1974-1994 La découverte des supercordes, en grande partie grâce aux travaux du scientifique russe Alexandre Polyakov ;
1994-2003 L'émergence de la théorie M a permis l'utilisation de plus de 11 dimensions ;
2003 - présent V. Michael Douglas a développé la théorie des cordes du paysage avec le concept faux vide.

Théorie quantique des cordes

Les objets clés du nouveau paradigme scientifique sont les plus beaux objets, qui sont leurs mouvements oscillatoires confèrent une masse et une charge à toute particule élémentaire.

Les principales propriétés des cordes selon les idées modernes :

Leur longueur est extrêmement petite - environ 10 à 35 mètres. À cette échelle, les interactions quantiques deviennent perceptibles ;
Cependant, en temps ordinaire conditions de laboratoire, qui ne traitent pas de si petits objets, une chaîne est absolument impossible à distinguer d'un objet ponctuel sans dimension ;
Une caractéristique importante d’un objet chaîne est l’orientation. Les cordes le possédant sont associées à direction opposée. Il existe également des instances non dirigées.

Les chaînes peuvent exister soit sous la forme d'un segment limité aux deux extrémités, soit sous la forme d'une boucle fermée. De plus, les transformations suivantes sont possibles :

Un segment ou une boucle peut « se multiplier » pour donner naissance à une paire d'objets correspondants ;
Un segment donne naissance à une boucle si une partie de celui-ci « boucle » ;
La boucle se rompt et devient une chaîne ouverte ;
Deux segments échangent des segments.

Autres objets fondamentaux

En 1995, il s’est avéré que les objets unidimensionnels ne sont pas les seuls éléments constitutifs de notre univers. L'existence de formations inhabituelles a été prédite - branes- sous forme de cylindre ou d'anneau volumétrique, qui présentent les caractéristiques suivantes :

Ils sont plusieurs milliards de fois plus petits que les atomes ;
Peut se propager dans l’espace et dans le temps, avoir une masse et une charge ;
Dans notre Univers, ils représentent objets en trois dimensions. Cependant, il est suggéré que leur forme est beaucoup plus mystérieuse, puisqu'une partie importante d'entre eux peut s'étendre dans d'autres dimensions ;
L'espace multidimensionnel qui se trouve sous les branes est l'hyperespace ;
Ces structures sont associées à l'existence de particules porteuses de gravité - les gravitons. Ils se séparent librement des branes et s'écoulent en douceur vers d'autres dimensions ;
Les interactions électromagnétiques, nucléaires et faibles sont également localisées sur les branes ;
La plupart variété importante sont des branes D. Ils sont attachés à leurs surfaces points de terminaison chaîne ouverte au moment où elle traverse l'espace.

Critiques

Comme toute révolution scientifique, celle-ci se fraye un chemin à travers les épines de l’incompréhension et des critiques de la part des adeptes des vues traditionnelles.

Parmi les commentaires les plus fréquemment exprimés :

L'introduction de dimensions supplémentaires de l'espace-temps crée la possibilité hypothétique de l'existence quantité énorme univers. Selon le mathématicien Peter Volt, cela conduit à l'impossibilité de prédire des processus ou des phénomènes. Chaque expérience déclenche un grand nombre de scénarios différents qui peuvent être interprétés de différentes manières ;
Il n'y a aucune option de confirmation. Niveau moderne les développements technologiques ne permettent pas de confirmer ou d'infirmer expérimentalement la recherche documentaire ;
Les observations récentes d'objets astronomiques ne correspondent pas à la théorie, ce qui oblige les scientifiques à reconsidérer certaines de leurs conclusions ;
Un certain nombre de physiciens estiment que ce concept est spéculatif et entrave le développement d'autres concepts fondamentaux.

Il est peut-être plus facile de prouver le théorème de Fermat que en mots simples expliquer les dispositions de la théorie des cordes. Son appareil mathématique est si étendu que seuls les scientifiques chevronnés des plus grands instituts de recherche peuvent le comprendre.

Il n’est pas encore certain que les découvertes faites au bout d’un stylo au cours des dernières décennies trouveront une application réelle. Si tel est le cas, alors un meilleur des mondes nous attend avec de l’antigravité, des univers multiples et des indices sur la nature des trous noirs.

Vidéo : théorie des cordes brève et accessible

Dans cette vidéo, le physicien Stanislav Efremov vous expliquera en termes simples ce qu'est la théorie des cordes :

Une question similaire a déjà été posée ici :

Mais je vais essayer de vous en parler dans mon style signature ;)

Nous avons une très longue conversation devant nous, mais j'espère que vous la trouverez intéressante, mon frère. En général, écoutez quel est le but ici. Idée principale est déjà visible dans le nom lui-même : au lieu de particules élémentaires ponctuelles (telles que les électrons, les photons, etc.), cette théorie propose des cordes - des sortes de fils d'énergie microscopiques vibrant unidimensionnels si petits qu'il n'y a aucune équipement moderne ils ne peuvent pas être détectés (plus précisément, ils sont situés à la longueur de Planck, mais là n'est pas la question). Cela ne veut pas dire que les particules consister faits de ficelles, ils et il y a cordes, simplement en raison de l'imperfection de notre équipement, nous les considérons comme des particules. Et si notre équipement est capable d'atteindre la longueur de Planck, alors, comme prévu, nous y trouverons des cordes. Et tout comme une corde de violon vibre, produisant différentes notes, chaîne quantique vibre, produisant diverses propriétés des particules (telles que des charges ou des masses). C’est en général l’idée principale.

Cependant, il est important de noter ici que la théorie des cordes a de très grandes ambitions et qu'elle revendique rien de moins que le statut de « théorie du tout », combinant la gravité (la théorie de la relativité) et la mécanique quantique (c'est-à-dire le macromonde - le monde des gros objets qui nous est familier, et le micromonde - monde des particules élémentaires). La gravité apparaît élégamment seule dans la théorie des cordes, et voici pourquoi. Initialement, la théorie des cordes était généralement perçue uniquement comme une théorie de la force nucléaire forte (l'interaction grâce à laquelle les protons et les neutrons sont maintenus ensemble dans le noyau d'un atome), rien de plus, puisque certains types de cordes vibrantes ressemblaient aux propriétés des gluons. (particules qui portent la force forte). Cependant, en plus des gluons, il y avait d'autres types d'oscillations de cordes, rappelant d'autres particules qui portaient une sorte d'interaction, qui n'avait rien à voir avec les gluons. Après avoir étudié les propriétés de ces particules, les scientifiques ont découvert que ces vibrations coïncident exactement avec les propriétés d'une particule hypothétique - un graviton - une particule porteuse. interaction gravitationnelle. C’est ainsi qu’est apparue la gravité dans la théorie des cordes.

Mais là encore (qu’allez-vous faire !) se pose un problème appelé « fluctuations quantiques ». N'ayez pas peur, ce terme ne fait peur qu'en apparence. Ainsi, les fluctuations quantiques sont associées à la naissance et à la destruction constantes de particules virtuelles (celles qui ne peuvent pas être vues directement en raison de leur apparition et disparition continues). Le processus le plus important en ce sens est l'annihilation - la collision d'une particule et d'une antiparticule avec la formation d'un photon (particule de lumière), qui génère ensuite une autre particule et une autre antiparticule. Qu’est-ce que la gravité, essentiellement ? Il s’agit d’un tissu géométrique d’espace-temps aux courbes douces. Le mot clé ici est douceur. Et dans monde quantiqueÀ cause de ces mêmes fluctuations, l’espace n’est pas du tout lisse et lisse, il y a un tel chaos qui s’y déroule qu’il est même effrayant de l’imaginer. Comme vous l’avez probablement déjà compris, la géométrie douce de l’espace de la théorie de la relativité est totalement incompatible avec les fluctuations quantiques. Confus, mais les physiciens ont trouvé une solution, affirmant que l'interaction des cordes atténue ces fluctuations. Comment, demandez-vous ? Mais imaginez deux ficelles fermées (car il y en a aussi des ouvertes, qui sont une sorte de petit fil avec deux extrémités ouvertes ; les ficelles fermées sont donc une sorte de boucles). Ces deux cordes fermées sont sur une trajectoire de collision et à un moment donné entrent en collision, se transformant en une seule. taille plus grande chaîne. Cette chaîne continue de se déplacer pendant un certain temps, après quoi elle se divise en deux chaînes plus petites. Maintenant la prochaine étape. Imaginons tout ce processus en images filmées : nous verrons que ce processus a acquis un certain volume tridimensionnel. Ce volume est appelé la « surface du monde ». Imaginons maintenant que vous et moi examinions tout ce processus sous différents angles: Je regarde droit et vous regardez légèrement sous un angle. Nous verrons que de votre point de vue et de mon point de vue, les cordes vont entrer en collision à différents endroits, puisque pour vous ces « boucles » de cordes (appelons-les ainsi) bougeront légèrement selon un angle, mais pour moi elles le feront avancer tout droit. Or, il s’agit du même processus, des deux mêmes cordes qui s’entrechoquent, la différence ne réside que dans deux points de vue. Cela signifie qu'il y a un certain « maculage » de l'interaction des cordes : du point de vue de différents observateurs, elles interagissent à différents endroits. Cependant, malgré ces différents points D’un point de vue, le processus est néanmoins un, et le point d’interaction est un. Ainsi, différents observateurs enregistreront le même lieu d'interaction de deux particules ponctuelles. Comme ça! Comprenez-vous ce qui se passe ? Nous avons lissé les fluctuations quantiques et ainsi uni la gravité et la mécanique quantique ! Regarder!

Bon, passons à autre chose. Êtes-vous déjà fatigué ? Eh bien, écoute. Je vais maintenant parler de quelque chose que je n’aime pas vraiment dans la théorie des cordes. Et c’est ce qu’on appelle la « mathématisation ». D'une manière ou d'une autre, les théoriciens se sont trop laissés emporter par les mathématiques... mais le point ici est simple : combien de dimensions de l'espace connaissez-vous ? C'est vrai, trois : longueur, largeur et hauteur (le temps est la quatrième dimension). Ainsi, les mathématiques de la théorie des cordes s’entendent très mal avec ces quatre dimensions. Et avec cinq aussi. Et avec dix. Mais il s'entend bien avec onze. Et les théoriciens ont décidé : eh bien, puisque les mathématiques l’exigent, qu’il y ait onze dimensions. Vous voyez, mathématiques oblige ! Les mathématiques, pas la réalité ! (Exclamation à part : si je me trompe, que quelqu'un me convainque ! Je veux changer d'avis !) Eh bien, où, pourrait-on se demander, sont passées les sept autres dimensions ? La théorie répond à cette question en disant qu'ils sont « compactés », enroulés en formations microscopiques à la longueur de Planck (c'est-à-dire à une échelle que nous ne sommes pas en mesure d'observer). Ces formations sont appelées « variété Calabi-Yau » (d’après les noms de deux physiciens éminents).

Il est également intéressant de noter que la théorie des cordes nous conduit au Multivers, c’est-à-dire à l’idée del’existence d’un nombre infini d’Univers parallèles. Le problème ici est que dans la théorie des cordes, il n'y a pas seulement des cordes, mais aussi des branes (du mot « membrane »). Les branes peuvent être différentes tailles, jusqu'à neuf heures. Nous sommes censés vivre sur une brane à 3 branes, mais il peut y en avoir d'autres à proximité de cette brane, et elles peuvent entrer en collision périodiquement. Mais nous ne les voyons pas car les cordes ouvertes sont étroitement attachées à la brane aux deux extrémités. Ces cordes avec leurs extrémités peuvent se déplacer le long de la brane, mais elles ne peuvent pas en sortir (se décrocher). Et si vous croyez à la théorie des cordes, alors toute matière et nous sommes tous constitués de particules qui, à la longueur de Planck, ressemblent à des cordes. Par conséquent, puisque les chaînes ouvertes ne peuvent pas quitter la brane, nous ne pouvons en aucun cas interagir avec une autre brane (lire : univers parallèle) ou la voir d'une manière ou d'une autre. La seule particule qui, en principe, ne se soucie pas de cette limitation et peut le faire est l'hypothétique graviton, qui est une corde fermée. Cependant, personne n’a encore pu détecter un graviton. Un tel multivers est appelé « multivers de branes » ou « scénario du monde des branes ».

À propos, étant donné que non seulement les cordes, mais aussi les branes ont été découvertes dans la théorie des cordes, les théoriciens ont commencé à l'appeler « théorie M », mais personne ne sait vraiment ce que signifie ce « M » ;)

Comme ça. C'est l'histoire. J'espère que vous avez trouvé cela intéressant, mon frère. Si quelque chose n’est pas clair, demandez dans les commentaires et je vous expliquerai.

Ce blog contient un extrait d'un article rédigé par l'un des principaux experts dans le domaine de l'unification de toutes les interactions physiques au sein théorie unifiée, le prix Nobel Steven Weinberg, où il décrit sous une forme populaire problèmes fondamentaux physique moderne hautes énergies. Les notes sont données en italique. Il est possible que la présence de formules déroute quelqu'un ; si un tel désir se fait sentir, ne les approfondissez simplement pas, mais lisez le texte.

Niveaux de la structure du monde : 1. Niveau macroscopique - matière 2. Niveau moléculaire 3. Niveau atomique - protons, neutrons et électrons 4. Niveau subatomique - électron 5. Niveau subatomique - quarks 6. Niveau cordes

La plupart des physiciens théoriciens ont maintenant conclu que les versions à force forte, électromagnétique et faible de la théorie quantique des champs ne sont que des approximations à faible énergie pour une théorie plus profonde et plus avancée. Deux éléments indiquent que la simplicité des lois de la nature ne peut être révélée qu'à des énergies incommensurablement élevées, comprises entre 10,15 et 10,19 GeV. L’un d’eux est le suivant. Si nous regardons ce qui arrive aux constantes de couplage des interactions électrofaibles et fortes à des énergies beaucoup plus élevées que celles auxquelles elles sont mesurées aujourd'hui, nous constaterons que leurs valeurs convergent et deviennent égales les unes aux autres à des énergies d'environ quinze ordres de grandeur. magnitude supérieure à la masse du proton (10 15 GeV). De plus, la valeur de la constante gravitationnelle, responsable de l'apparition de divergences dans la théorie de la gravitation, dans unités physiques est (10 19 GeV) –2. Tout cela suggère que si nous étions capables de réaliser des expériences à très hautes énergies, nous pourrions découvrir une image vraiment simple du monde dans laquelle toutes les théories se confondent et qui pourrait même nous donner un sentiment d'inévitabilité fatale, que nous nous efforçons de réaliser. atteindre.

Unifier la gravité avec d’autres forces pose encore un certain nombre de difficultés. La raison en est que toute théorie quantique opérant sur des objets ponctuels contient des divergences à des énergies supérieures à l'échelle de Planck. L'échelle ou masse de Planck représente l'énergie à laquelle se fait sentir le besoin d'une théorie quantique de la gravité. Cela se produit lorsque le rayon de Schwarzschild est :

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

où m est le poids corporel ;

G – constante gravitationnelle et longueur d'onde Compton

je=h/(mc)(1.12b)

deviennent des quantités du même ordre. C’est-à-dire lorsqu’une densité de masse très élevée est concentrée dans un très petit volume. Une description raisonnable à de telles échelles peut être obtenue en utilisant à la fois la relativité générale et la théorie quantique. En égalant l à R à partir de (1.12a) et (1.12b), nous obtenons

m Р l =(hc /G) ? ? 1,2 ?10 19 GeV,

ce qui correspond à la longueur et au temps de Planck :

l Р l = =(h G/ c 3) ? ? 1,6 ? 10 - 33 cm ; t Р l ? 5.4 ? 10 – 44 s.

Pour l’avenir, nous notons que Signature Algebra repose sur des principes initiaux légèrement différents et ne partage pas les préoccupations des théories quantiques modernes. Du point de vue de l'algèbre des signatures, la géométrie différentielle qui sous-tend la relativité générale s'applique non seulement à objets spatiaux et pour les processus se produisant dans les échelles de longueur de Planck, mais aussi à de nombreux autres niveaux de l'organisation de la Nature, en tenant compte de diverses modifications des géométries différentielles absolues, adaptées aux caractéristiques de l'échelle de longueur décrite. Contrairement à la doctrine actuellement dominante consistant à quantifier le GTR et à l'aligner sur des schémas de champ quantiques éprouvés, Alsigna adhère aujourd'hui aux vues des rares scientifiques qui n'abandonnent pas leurs tentatives d'intégrer la physique kantienne dans le cadre du GTR modifié. À ce stade, nous nous contentons de présenter l’opinion d’un spécialiste de premier plan sur l’état actuel des choses à l’avant-garde de la physique officielle.

Riz. 1.17. Diagramme décrivant l'une des contributions au processus de transformation de deux particules en trois particules

Nous n’avons pas encore la possibilité d’atteindre de telles énergies. Malgré cela, ces dernières années, les physiciens théoriciens ont été extrêmement enthousiasmés par l'idée selon laquelle les constituants fondamentaux de la nature aux énergies de 10 15 à 10 19 GeV ne sont pas des champs ou des particules, mais des cordes. Pour simplifier l’examen de cette problématique, nous ne mentionnerons ici qu’un seul type de chaînes. Ce type de corde est une petite boucle qui rompt la continuité de l'espace-temps, un petit défaut de l'espace-temps enroulé en anneau. La corde est tendue et peut vibrer comme une corde ordinaire. Les vibrations de la corde forment une séquence infinie de modes normaux, dont chacun correspond à un type spécifique de particule. La particule la plus légère correspond au mode le plus bas de la corde, la particule la plus lourde correspond au mode suivant, etc. L'interaction entre les particules donne l'impression que ces anneaux fusionnent puis divergent à nouveau. Ce processus peut être décrit à l'aide d'une surface, car lorsqu'elle se déplace dans l'espace-temps, la corde balaie une surface du monde bidimensionnelle (tube). L'interaction entre les particules est représentée comme une surface du monde bidimensionnelle, qui peut se diviser et se réunir, absorbant les « anneaux » présents dans l'état initial et émettant des « anneaux » correspondant à l'état final. Par exemple, un processus de diffusion dans lequel il y avait deux particules à l'état initial et trois à l'état final sera décrit par une surface dans laquelle entrent deux longs tubes (décrivant les particules à l'état initial) et d'où émergent trois longs tubes. (décrivant les particules dans l'état final). Cette surface elle-même peut avoir une topologie assez complexe (Fig. 1.17).

Une surface peut être décrite en y définissant une grille de coordonnées. Puisque la surface est bidimensionnelle, la position d'un point arbitraire sur celle-ci est spécifiée par deux coordonnées, qui peuvent être notées ? 1 et ? 2 . Nous devons maintenant indiquer d’une manière ou d’une autre où se trouve un point arbitrairement choisi sur la chaîne à un moment donné. Pour ce faire, vous devez définir une règle qui correspond à chaque point ? = (? 1 , ? 2) un point sur la surface Xm dans l'espace-temps. Mathématiquement, cette règle s'écrit Xm = xm (? 1 ,? 2). La géométrie de la surface est déterminée par la métrique qui y est spécifiée. Comme dans le cas de la relativité générale, la métrique est spécifiée à l'aide du tenseur métrique qunb(?), dont les éléments dépendent des coordonnées ; puisque nous avons affaire à une surface bidimensionnelle, alors les indices a et b peut assumer les valeurs égal à un ou deux. La métrique définit comment est calculée la distance entre deux points infiniment proches ? et?+d? sur la surface:

d? = [qunb(?) d? und? b] ? . (1.13)

Selon les principes mécanique quantique dans l'interprétation de Feynman, pour calculer l'amplitude de probabilité (c'est la même valeur qui doit être mise au carré pour obtenir la probabilité du processus), vous devez additionner les amplitudes de tous moyens possibles passage de l'état initial à l'état final. En théorie des cordes, vous devez additionner toutes les surfaces bidimensionnelles qui décrivent un processus donné. Chaque surface est définie par deux fonctions Xm = xm (? ) Et qunb(?), qui ont été définis ci-dessus. Il ne reste plus qu'à trouver pour chaque surface la valeur de la quantité je [X,q], puis additionner e –Je[x,q ], sur toutes les surfaces. Fonctionnel je[X, q] appelée action, elle dépend fonctionnellement de Xm = xm (?) Et qunb(?) et est défini par l'expression :

En fait, il doit y avoir un terme supplémentaire ici, qui est nécessaire pour spécifier l’échelle relative des différents ordres de théorie des perturbations.

Le vif intérêt porté aux cordes est dû au fait qu’elles ont permis pour la première fois de construire une théorie de la gravité sans les divergences apparues plus récemment. premières théories. Les bases de cette théorie ont été posées au tournant des années 60 et 70, et son apparition est associée à des tentatives pour expliquer la nature de l'interaction forte dans le noyau.

Graphique 1.18. L'intersection de cordes avec l'émission et l'absorption d'une particule sans masse de spin 2.

Il est vite devenu clair que les surfaces comportant de longs tubes minces (Fig. 1.18) correspondent à une particule sans masse de spin 2, émise sous la forme d'un quantum de rayonnement dans l'espace séparant les états initial et final des particules. (Les particules sans masse sont simplement des particules se déplaçant à la vitesse de la lumière, et leur spin est mesuré dans les mêmes unités que le spin de l'électron est la moitié.) L'apparition de cette particule a provoqué une terrible confusion à l'époque. À cette époque, on savait déjà que le quantum devait avoir les mêmes propriétés champ gravitationnel– gravitons. Mais malgré cela, à la fin des années 60 et dans les années 70, les principaux efforts visaient à étudier les interactions fortes, et pas du tout la gravité. Ces circonstances ont provoqué une perte d’intérêt pour la théorie des cordes au début des années 70.

En 1974, Sherk et Schwartz ont émis l'hypothèse que théorie des cordes devrait être considérée comme une théorie de la gravité, mais personne ne la prenait au sérieux à l’époque. Ce n'est que grâce aux travaux de Green, Gross, Polyakov, Schwartz, Witten et leurs collègues que les physiciens ont commencé à s'accorder progressivement sur le fait que la théorie des cordes convenait au rôle de théorie physique unifiée finale avec une échelle d'énergie de l'ordre de 10 15 - 10. 19 GeV.

La théorie des cordes a tout à fait explication rationnelle en termes de symétries utilisées. Il existe plusieurs symétries associées à l’action (1.14). Tout comme dans le cas de la relativité générale, la spécification d'une métrique génère une symétrie par rapport aux transformations de coordonnées . Il existe également une autre symétrie, moins évidente, valable uniquement dans le cas bidimensionnel. Cette symétrie est associée à un changement local de l'échelle de distance - ce qu'on appelle la transformation de Weyl, dans laquelle le tenseur métrique est multiplié par une fonction de coordonnées arbitraire qunb(?) ? f(?) qunb(?). Et enfin, il existe une autre symétrie assez évidente par rapport aux transformations de Lorentz :

xm ? L m n x n + une m .

Ces deux symétries semblent absolument nécessaires. Sans ces symétries, les tentatives de calcul de la somme sur toutes les surfaces conduiraient à des résultats dénués de sens. Sans ces deux symétries, on obtient soit des probabilités négatives, soit probabilité totale ne sera pas égal à un. En fait, il existe des effets mécaniques quantiques très subtils qui peuvent briser ces symétries. Les anomalies quantiques « corrompent » ces symétries jusqu'à ce qu'elles commencent à utiliser une combinaison appropriée de coordonnées ordinaires et de spin.

Une théorie décrivant les propriétés des surfaces bidimensionnelles qui sont invariantes sous les transformations de coordonnées et la transformée de Weyl a été créée par Bernhard Riemann dans début XIX siècles. La plupart de ses résultats se sont révélés absolument nécessaires à la compréhension de la physique des cordes. Par exemple, pour décrire la topologie d'une surface bidimensionnelle arbitraire (plus précisément, une surface fermée arbitrairement orientée), il suffit d'indiquer le nombre de ses « poignées ». Si le nombre de « poignées » est donné, alors pour décrire la géométrie il suffit de préciser numéro final paramètres. Lors de la addition sur des surfaces, vous devrez intégrer ces paramètres. Le nombre de ces paramètres est zéro s'il n'y a pas de « poignées », deux s'il y a une « poignée », et 6 h– 6, si le nombre de poignées h > 2.

Ce sont ces anciens théorèmes qui permettent la sommation sur toutes les surfaces. S’il n’y avait pas de symétrie, il serait impossible de faire les calculs nécessaires, et même si quelque chose devait se produire, le résultat n’aurait probablement aucun sens. C'est pourquoi les symétries semblent absolument nécessaires. Nous nous sommes rapprochés de la chose la plus importante : la structure de la fonctionnelle d'action (1.14) et, par conséquent, la dynamique des cordes elle-même sont uniquement déterminées par ces symétries.

Il y en a plusieurs diverses théories des chaînes compatibles avec toutes les symétries ci-dessus et qui diffèrent par le nombre de coordonnées spatio-temporelles x* et de variables de spin. Malheureusement, dans toutes ces théories, le nombre de dimensions espace-temps est supérieur à quatre. Une façon de surmonter cette difficulté repose sur l’hypothèse que les dimensions spatiales supplémentaires sont « compactées », c’est-à-dire « enroulées » sur de très petites distances. Toutefois, cette approche n’épuise pas toutes les possibilités. Des théories plus cohérentes reposent sur l'hypothèse qu'il peut y avoir un nombre illimité de variables d'espace et de spin supplémentaires, et l'invariance de Lorentz s'applique uniquement aux quatre dimensions espace-temps ordinaires. L'action et le nombre de variables sont ensuite déterminés à partir de l'exigence selon laquelle les symétries restantes (sous transformations de coordonnées et transformations de Weyl) soient préservées malgré les fluctuations quantiques. Les recherches dans ce sens viennent de commencer.

La théorie des cordes a été utilisée dans les années 1960 pour expliquer la physique hadronique, mais en raison du succès du modèle standard, elle a été largement oubliée. Un regain d'intérêt pour les cordes s'est produit lorsque Green et Schwartz ont montré qu'une théorie des supercordes sans jauge et sans anomalie gravitationnelle pouvait être décrite en dix dimensions par le groupe de symétrie interne SO(32) ou E8 ? E8. Les théories précédentes savaient que l'obtention de l'unitarité et de l'invariance de Lorentz pour les théories des supercordes n'était possible que dans des espaces de dimensions supérieures.

Il n’existe aucun terme supplémentaire compatible avec ces symétries. AVEC théorie dynamique Cela s'est produit pour la première fois lorsque la spécification de la symétrie détermine complètement la nature de la dynamique, c'est-à-dire qu'elle détermine complètement le changement du vecteur d'état au fil du temps. C'est une des raisons de l'enthousiasme des physiciens modernes. Cette théorie semble fatalement inévitable. Vous ne pouvez y apporter aucune modification sans le ruiner, sans parler de la capacité de la théorie des cordes à décrire les phénomènes gravitationnels.

Dans les années 20 du XXe siècle, Kaluza et Klein ont utilisé l'idée d'interpréter les forces comme une manifestation de la courbure des espaces de dimensions supérieures pour décrire l'électromagnétisme et la gravité en termes purement géométriques. base uniforme(Théories de Kalutz-Klein). Les nouvelles théories incluant la supersymétrie sont appelées théories des supercordes. Dans le cadre de ces théories, certaines excitations de cordes de mécanique quantique (modes ordinaires) sont interprétées comme des particules élémentaires observées expérimentalement. Les excitations représentent des rotations, des vibrations ou des excitations de degrés de liberté internes. Ainsi, l’ensemble du spectre des particules élémentaires est obtenu sur la base d’une seule chaîne fondamentale. Le nombre d'états de masse inférieure à la masse de Planck correspond au nombre de particules observées. Il y a aussi nombre infini excitations avec des masses supérieures à la masse de Planck. Habituellement, ces mods ne sont pas stables et sont épuisés pour les plus légers. Cependant, dans le cadre des théories des supercordes, il existe des solutions stables aux caractéristiques exotiques, telles que charge magnétique, significations exotiques charge électrique. Il est à noter que dans tout le spectre des particules correspondant à solutions classiques théories des supercordes, exactement un graviton sans masse avec un spin 2 apparaît.

Les chaînes se présentent sous deux topologies différentes : sous forme de chaînes ouvertes avec des extrémités libres et sous forme de boucles fermées (dont nous parlons de dans l'article cité ici). De plus, ils peuvent avoir une orientation interne. Les nombres quantiques des chaînes ouvertes sont situés à leurs extrémités, alors que dans les boucles fermées nombres quantiquesétalé le long de la ficelle.

La théorie des cordes prétend être la théorie finale qui unit l'intégralité de nos idées sur monde matériel. C’est pour ces raisons que de nombreux physiciens modernes sont enthousiasmés. Les meilleurs esprits physiques et mathématiques de la planète prennent désormais d’assaut ce qui semble être le dernier bastion de la conscience scientifique de la nature matérielle.

A ce stade, le principal défi est de savoir si les théories des cordes peuvent conduire à un modèle standard décrivant les forces faibles, électromagnétiques et fortes. Si tel est le cas, alors la deuxième question se pose : que peut dire la théorie des cordes sur les dix-sept paramètres contenus dans le modèle standard ? Pourra-t-on l’utiliser pour calculer directement la masse d’un électron, de quarks, etc. ? Si oui, le problème sera résolu.

Selon de nombreux scientifiques, la théorie des cordes est si élégante qu'elle deviendra certainement l'une des lois fondamentales et définitives de la physique, et c'est la chose la plus importante dont nous disposons. à l'heure actuelle.

La note optimiste sur laquelle se termine l'extrait de l'article de S. Weinberg n'est pas du tout partagée par l'Algèbre des Signatures. Dominant maintenant paradigme scientifique limité les possibilités de développer nos idées sur la réalité environnante. Les principes qui sous-tendent la mécanique quantique ne permettent toujours pas d'étudier la structure des particules élémentaires et fondamentales. Tout ce dont la physique quantique moderne est capable, c'est de calculer les probabilités des résultats de certains processus et d'obtenir les caractéristiques dynamiques moyennes des objets quantiques. Une personne inexpérimentée intéressée par les principes fondamentaux de l'univers, lisant n'importe quel livre sérieux sur la théorie quantique des champs ou la théorie des cordes, peut penser qu'il contient un réservoir de sagesse humaine en relation avec la nature de la matérialité dans le langage martien. En fait, la pointe de la science s’est éloignée du véritable chemin de la connaissance. Au lieu d’éclairer la matière par ses connaissances, la science s’est empêtrée dans le réseau de ses propres complexités mathématiques, d’où les ténèbres deviennent encore plus sombres. Les théories quantiques plongent la conscience dans l'obscurité d'un brouillard mathématique, derrière lequel non seulement le CRÉATEUR Fondamental, mais aussi la matière elle-même, ne sont pas visibles. La conscience erre aveuglément espace confiné paradigme sans esprit, essayant de s'accrocher à des îlots d'opportunité sous la forme de lois de conservation, principes variationnels et coïncidence des résultats de calcul avec les données expérimentales. Si des idées claires sur l'essence de la propagation de la Lumière (un des Principes DIVIN) permettaient à l'humanité de développer l'industrie informatique, alors les idées floues sur les phénomènes atomiques et nucléaires n'ont rien donné à l'humanité, sauf le transport d'armes mort terrible, et l’énergie nucléaire inquiétante. C'est la crise de la modernité science quantique– elle n’est plus en mesure de donner au monde autre chose que la destruction et la mort. La seule consolation est que la science est jeune, et seulement au début de son voyage.

Extrait du livre de Gauchman « Algebra of Signatures » (Alsigna)

Une version plus complète peut être trouvée sur http://ru.wikipedia.org/wiki/String_Theory

Ainsi que des vidéos dans la Rubrique – Médias – Vidéo ou via le lien

Avez-vous déjà pensé que l'Univers était comme un violoncelle ? C'est vrai, elle n'est pas venue. Parce que l’Univers n’est pas comme un violoncelle. Mais cela ne veut pas dire qu’il n’y a pas de cordes. Bien entendu, les cordes de l’univers ne ressemblent guère à celles que nous imaginons. Dans la théorie des cordes, ce sont des fils d’énergie vibrants incroyablement petits. Ces fils ressemblent davantage à de minuscules « élastiques » qui peuvent se tortiller, s’étirer et se comprimer de toutes sortes de façons. Tout cela ne signifie cependant pas qu’il est impossible de « jouer » sur eux la symphonie de l’Univers, car, selon les théoriciens des cordes, tout ce qui existe est constitué de ces « fils ».

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Contradiction physique

Dans la seconde moitié du XIXe siècle, il semblait aux physiciens que rien de sérieux ne pouvait plus être découvert dans leur science. Physique classique croyait que de sérieux problèmes il ne restait plus rien dedans, et toute la structure du monde ressemblait à une machine parfaitement réglée et prévisible. Le problème, comme d'habitude, est survenu à cause d'absurdités - l'un des petits « nuages » qui restaient encore dans le ciel clair et compréhensible de la science. À savoir, lors du calcul de l'énergie de rayonnement d'un corps absolument noir (un corps hypothétique qui, à n'importe quelle température, absorbe complètement le rayonnement qui lui tombe dessus, quelle que soit la longueur d'onde). Les calculs ont montré que énergie totale Le rayonnement de tout corps absolument noir doit être infiniment grand. Pour échapper à une absurdité aussi évidente, le scientifique allemand Max Planck a suggéré en 1900 que lumière visible, radiographies et d'autres ondes électromagnétiques ne peut être émis que par certaines portions discrètes d’énergie, qu’il appelle quanta. Avec leur aide, il a été possible de résoudre le problème particulier d'un corps absolument noir. Cependant, les conséquences hypothèse quantique car le déterminisme n’était pas encore réalisé à cette époque. Jusqu'à ce qu'en 1926, un autre scientifique allemand, Werner Heisenberg, formule le fameux principe d'incertitude.

Son essence se résume au fait que, contrairement à toutes les affirmations dominantes jusqu'à présent, la nature limite notre capacité à prédire l'avenir sur la base de lois physiques. Nous parlons bien sûr du futur et du présent des particules subatomiques. Il s’est avéré qu’ils se comportent complètement différemment de la façon dont les choses se comportent dans le macrocosme qui nous entoure. Au niveau subatomique, la structure de l’espace devient inégale et chaotique. Le monde des minuscules particules est si turbulent et incompréhensible qu’il défie le bon sens. L'espace et le temps y sont tellement tordus et entrelacés qu'il n'y a pas de concepts ordinaires de gauche et de droite, de haut en bas, ou même d'avant et d'après. Il n’existe aucun moyen de dire avec certitude à quel point de l’espace se trouve une particule particulière à un instant donné, ni quel est son moment cinétique. Il n’existe qu’une certaine probabilité de trouver une particule dans de nombreuses régions de l’espace-temps. Les particules au niveau subatomique semblent être « répandues » dans tout l’espace. De plus, le « statut » des particules lui-même n’est pas défini : dans certains cas, elles se comportent comme des ondes, dans d’autres, elles présentent les propriétés de particules. C’est ce que les physiciens appellent la dualité onde-particule de la mécanique quantique.

Niveaux de la structure du monde : 1. Niveau macroscopique - matière
2. Niveau moléculaire 3. Niveau atomique – protons, neutrons et électrons
4. Niveau subatomique – électron 5. Niveau subatomique – quarks 6. Niveau cordes
©Bruno P. Ramos

Dans la théorie de la relativité générale, comme dans un État aux lois opposées, la situation est fondamentalement différente. L'espace ressemble à un trampoline : un tissu lisse qui peut être plié et étiré par des objets massifs. Ils créent des déformations dans l’espace-temps – ce que nous considérons comme la gravité. Inutile de dire que la théorie de la relativité générale, harmonieuse, correcte et prévisible, est en conflit insoluble avec le « hooligan excentrique » - mécanique quantique et, par conséquent, le monde macro ne peut pas « faire la paix » avec le monde micro. C’est là que la théorie des cordes vient à la rescousse.

©John Stembridge/Projet Atlas des groupes de Lie

Théorie du tout

La théorie des cordes incarne le rêve de tous les physiciens d’unifier les deux fondamentalement contradictoires relativité générale et mécanique quantique, un rêve qui a hanté le plus grand « gitan et vagabond » Albert Einstein jusqu’à la fin de ses jours.

De nombreux scientifiques pensent que tout, depuis la danse exquise des galaxies jusqu'à la danse folle des particules subatomiques, peut en fin de compte s'expliquer par un seul élément fondamental. principe physique. Peut-être même une loi unique qui unit tous les types d’énergie, de particules et d’interactions dans une formule élégante.

La relativité générale décrit l'une des forces les plus célèbres de l'Univers : la gravité. La mécanique quantique décrit trois autres forces : la force nucléaire forte, qui colle les protons et les neutrons dans les atomes, l'électromagnétisme et la force faible, qui est impliquée dans la désintégration radioactive. Tout événement dans l'univers, de l'ionisation d'un atome à la naissance d'une étoile, est décrit par les interactions de la matière à travers ces quatre forces. En utilisant les mathématiques les plus complexes Il a été possible de montrer que les interactions électromagnétiques et faibles ont une nature commune, les combinant en une seule interaction électrofaible. Par la suite, une forte interaction nucléaire leur a été ajoutée - mais la gravité ne les rejoint en aucun cas. La théorie des cordes est l'un des candidats les plus sérieux pour relier les quatre forces et, par conséquent, englober tous les phénomènes de l'Univers - ce n'est pas pour rien qu'elle est également appelée la « Théorie du Tout ».

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Au début il y avait un mythe

Jusqu’à présent, tous les physiciens ne sont pas ravis de la théorie des cordes. Et à l’aube de son apparition, elle semblait infiniment éloignée de la réalité. Sa naissance même est une légende.

À la fin des années 1960, un jeune physicien théoricien italien, Gabriele Veneziano, cherchait des équations pouvant expliquer la forte force nucléaire, la « colle » extrêmement puissante qui maintient ensemble les noyaux des atomes, liant les protons et les neutrons. Selon la légende, il serait tombé par hasard sur un livre poussiéreux sur l'histoire des mathématiques, dans lequel il aurait trouvé une équation vieille de deux cents ans, écrite pour la première fois par le mathématicien suisse Leonhard Euler. Imaginez la surprise de Veneziano lorsqu'il découvrit que l'équation d'Euler, longtemps considérée comme une simple curiosité mathématique, décrivait ce phénomène. forte interaction.

Comment c’était vraiment ? L'équation était probablement le résultat de nombreuses années Le travail de Veneziano et le hasard n'ont fait que contribuer à faire le premier pas vers la découverte de la théorie des cordes. L'équation d'Euler, qui expliquait miraculeusement la force forte, prit une nouvelle vie.

Finalement, elle a attiré l'attention du jeune physicien théoricien américain Leonard Susskind, qui a vu que, tout d'abord, la formule décrivait des particules qui n'avaient pas de structure interne et pouvaient vibrer. Ces particules se comportaient de telle manière qu’elles ne pouvaient pas être de simples particules ponctuelles. Susskind a compris : la formule décrit un fil qui ressemble à un élastique. Elle pouvait non seulement s'étirer et se contracter, mais aussi osciller et se tortiller. Après avoir décrit sa découverte, Susskind a introduit l'idée révolutionnaire des cordes.

Malheureusement, l’écrasante majorité de ses collègues ont accueilli cette théorie avec beaucoup de sang-froid.

Modèle standard

À l’époque, la science conventionnelle représentait les particules comme des points plutôt que comme des cordes. Depuis des années, les physiciens étudient le comportement des particules subatomiques en les brisant les unes contre les autres. vitesses élevées et étudier les conséquences de ces collisions. Il s’est avéré que l’Univers est bien plus riche qu’on pourrait l’imaginer. Il s’agissait d’une véritable « explosion démographique » de particules élémentaires. Étudiants diplômés universités de physique ils couraient dans les couloirs en criant qu'ils avaient découvert une nouvelle particule - il n'y avait même pas assez de lettres pour les désigner.

Mais, hélas, dans la « maternité » des nouvelles particules, les scientifiques n'ont jamais pu trouver la réponse à la question : pourquoi y en a-t-il autant et d'où viennent-elles ?

Cela a incité les physiciens à faire une prédiction inhabituelle et surprenante : ils ont réalisé que les forces à l’œuvre dans la nature pouvaient également s’expliquer en termes de particules. Autrement dit, il existe des particules de matière et des particules qui transportent des interactions. Par exemple, un photon est une particule de lumière. Plus il y a de particules porteuses - les mêmes photons que les particules de matière échangent, plus lumière plus brillante. Les scientifiques ont prédit que cet échange particulier de particules porteuses n’est rien d’autre que ce que nous percevons comme une force. Cela a été confirmé par des expériences. C’est ainsi que les physiciens ont réussi à se rapprocher du rêve d’Einstein d’unir les forces.

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Les scientifiques pensent que si nous avançons rapidement juste après le Big Bang, lorsque l’Univers était plus chaud de plusieurs milliards de degrés, les particules qui transportent l’électromagnétisme et la force faible deviendront indiscernables et se combineront en une seule force appelée force électrofaible. Et si nous remontons encore plus loin dans le temps, l’interaction électrofaible se combinerait avec l’interaction forte pour former une « superforce » totale.

Même si tout cela reste encore à prouver, la mécanique quantique a soudainement expliqué comment trois des quatre forces interagissent au niveau subatomique. Et elle l’a expliqué de manière magnifique et cohérente. Cette image harmonieuse des interactions a finalement reçu le nom Modèle standard. Mais hélas, même dans cette théorie parfaite, il y avait un gros problème– il n’incluait pas la force de niveau macro la plus célèbre – la gravité.

Graviton

Pour la théorie des cordes, qui n’avait pas encore eu le temps de « fleurir », l’« automne » est arrivée ; elle contenait dès sa naissance trop de problèmes ; Par exemple, les calculs de la théorie prédisaient l’existence de particules qui, comme on l’a vite établi, n’existent pas. C'est ce qu'on appelle le tachyon - une particule qui se déplace dans le vide plus rapide que la lumière. Entre autres choses, il s’est avéré que la théorie nécessite jusqu’à 10 dimensions. Il n’est pas surprenant que cela ait été très déroutant pour les physiciens, car c’est évidemment plus grand que ce que nous voyons.

En 1973, seuls quelques jeunes physiciens étaient encore aux prises avec les mystères de la théorie des cordes. L’un d’eux était le physicien théoricien américain John Schwartz. Pendant quatre ans, Schwartz a tenté d’apprivoiser ces équations indisciplinées, mais en vain. Entre autres problèmes, l’une de ces équations persistait à décrire une particule mystérieuse qui n’avait pas de masse et n’avait pas été observée dans la nature.

Le scientifique avait déjà décidé d'abandonner son entreprise désastreuse, puis il s'est rendu compte : peut-être que les équations de la théorie des cordes décrivent également la gravité ? Cependant, cela impliquait une révision des dimensions des principaux « héros » de la théorie : les cordes. En supposant que les cordes sont des milliards et des milliards de fois plus petites qu’un atome, les « cordes » ont transformé le désavantage de la théorie en son avantage. La particule mystérieuse dont John Schwartz avait tant essayé de se débarrasser agissait désormais comme un graviton - une particule recherchée depuis longtemps et qui permettrait de transférer la gravité au niveau quantique. C’est ainsi que la théorie des cordes a complété le puzzle de la gravité, qui manquait dans le modèle standard. Mais, hélas, même à cette découverte, la communauté scientifique n’a réagi d’aucune façon. La théorie des cordes restait au bord de la survie. Mais cela n'a pas arrêté Schwartz. Un seul scientifique voulait se joindre à ses recherches, prêt à risquer sa carrière au nom de ficelles mystérieuses : Michael Green.

Physicien théoricien américain John Schwartz (en haut) et Michael Green
©Institut de technologie de Californie/elementy.ru

Quelles raisons y a-t-il de penser que la gravité obéit aux lois de la mécanique quantique ? Pour la découverte de ces « fondements » en 2011, elle a été récompensée Prix Nobel en physique. Cela consistait dans le fait que l’expansion de l’Univers ne ralentit pas, comme on le pensait autrefois, mais au contraire s’accélère. Cette accélération s'explique par l'action d'une « antigravité » particulière, qui est en quelque sorte caractéristique de l'espace vide du vide de l'espace. D'un autre côté, au niveau quantique, rien d'absolument « vide » ne peut exister - dans le vide, ils apparaissent constamment et disparaissent immédiatement. particules subatomiques. On pense que ce « scintillement » des particules est responsable de l’existence de « l’antigravité ». énergie sombre, qui remplit l'espace vide.

À une certaine époque, c'est Albert Einstein, qui jusqu'à la fin de sa vie n'a jamais accepté les principes paradoxaux de la mécanique quantique (qu'il avait lui-même prédit), qui a suggéré l'existence de cette forme d'énergie. Suivant la tradition de la philosophie grecque classique d’Aristote et sa croyance en l’éternité du monde, Einstein a refusé de croire ce qu’il avait prédit. propre théorie, à savoir que l'Univers a un commencement. Pour « perpétuer » l’univers, Einstein a même introduit une certaine constante cosmologique dans sa théorie, et a ainsi décrit l’énergie espace vide. Heureusement, quelques années plus tard, il est devenu clair que l'Univers n'est pas du tout une forme figée, qu'il est en expansion. Puis Einstein a abandonné la constante cosmologique, la qualifiant de « plus grande erreur de calcul de sa vie ».

Aujourd'hui, la science sait que l'énergie noire existe toujours, même si sa densité est bien inférieure à ce que supposait Einstein (le problème de la densité de l'énergie noire, soit dit en passant, est l'un des les plus grands mystères physique moderne). Mais aussi petite que soit la valeur de la constante cosmologique, elle est tout à fait suffisante pour garantir que effets quantiques exister dans la gravité.

Poupées gigognes subatomiques

Malgré tout, au début des années 1980, la théorie des cordes présentait encore des contradictions insolubles, appelées anomalies scientifiques. Schwartz et Green entreprirent de les éliminer. Et leurs efforts n’ont pas été vains : les scientifiques ont réussi à éliminer certaines contradictions de la théorie. Imaginez la stupéfaction de ces deux-là, déjà habitués au fait que leur théorie soit ignorée, lorsque la réaction de la communauté scientifique a explosé. monde scientifique. En moins d’un an, le nombre de théoriciens des cordes est passé à des centaines de personnes. C’est alors que la théorie des cordes reçut le titre de Théorie du Tout. La nouvelle théorie semblait capable de décrire toutes les composantes de l'univers. Et ce sont les composants.

Comme nous le savons, chaque atome est constitué de particules encore plus petites - des électrons qui tourbillonnent autour d'un noyau constitué de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons, quant à eux, sont constitués de particules encore plus petites : les quarks. Mais la théorie des cordes dit que cela ne s’arrête pas aux quarks. Les quarks sont constitués de minuscules brins d'énergie frétillants qui ressemblent à des cordes. Chacune de ces chaînes est incroyablement petite. Si petit que si l'atome était agrandi à la taille système solaire, la chaîne aurait la taille d'un arbre. Tout comme les différentes vibrations d'une corde de violoncelle créent ce que nous entendons comme différentes notes de musique, diverses manières(modes) vibrations de la corde confèrent aux particules leurs propriétés uniques - masse, charge, etc. Savez-vous en quoi, relativement parlant, les protons au bout de votre ongle diffèrent du graviton encore inconnu ? Uniquement par l’ensemble des minuscules cordes qui les composent et la façon dont ces cordes vibrent.

Bien entendu, tout cela est plus que surprenant. Depuis Grèce antique les physiciens sont habitués au fait que tout dans ce monde est constitué de quelque chose comme des boules, de minuscules particules. Et ainsi, n'ayant pas le temps de s'habituer au comportement illogique de ces boules, qui découle de la mécanique quantique, on leur demande d'abandonner complètement le paradigme et de fonctionner avec des sortes de restes de spaghetti...

Cinquième dimension

Bien que de nombreux scientifiques considèrent la théorie des cordes comme un triomphe des mathématiques, certains problèmes subsistent, notamment l'absence de toute possibilité de la tester expérimentalement dans un avenir proche. Pas un seul instrument au monde, ni existant ni susceptible d’apparaître dans le futur, n’est capable de « voir » les cordes. Par conséquent, certains scientifiques se posent même la question : la théorie des cordes est-elle une théorie de la physique ou de la philosophie ?.. Certes, voir les cordes « de vos propres yeux » n'est pas du tout nécessaire. Prouver la théorie des cordes nécessite plutôt autre chose – quelque chose qui ressemble à la science-fiction– confirmation de l'existence de dimensions supplémentaires de l'espace.

De quoi parle-t-on ? Nous sommes tous habitués à trois dimensions d’espace et à une seule – le temps. Mais la théorie des cordes prédit la présence d’autres dimensions supplémentaires. Mais commençons dans l'ordre.

En fait, l’idée de l’existence d’autres dimensions est née il y a près de cent ans. Cette idée est venue à l’esprit du mathématicien allemand Theodor Kaluza, alors inconnu, en 1919. Il a suggéré la possibilité d'une autre dimension dans notre Univers que nous ne voyons pas. Albert Einstein a entendu parler de cette idée et, au début, il l'a vraiment aimé. Plus tard, cependant, il douta de son exactitude et retarda la publication de Kaluza de deux années entières. Cependant, l’article a finalement été publié et la dimension supplémentaire est devenue une sorte de passe-temps pour le génie de la physique.

Comme vous le savez, Einstein a montré que la gravité n’est rien d’autre qu’une déformation des dimensions de l’espace-temps. Kaluza a suggéré que l'électromagnétisme pourrait également être une ondulation. Pourquoi ne le voyons-nous pas ? Kaluza a trouvé la réponse à cette question : les ondulations de l'électromagnétisme peuvent exister de manière supplémentaire, dimension cachée. Mais où est-il ?

La réponse à cette question a été donnée par le physicien suédois Oskar Klein, qui a suggéré que la cinquième dimension de Kaluza est pliée des milliards de fois plus que la taille d'un seul atome, c'est pourquoi nous ne pouvons pas la voir. L’idée de cette petite dimension qui nous entoure est au cœur de la théorie des cordes.

À l’intérieur de chacune de ces formes, une corde vibre et se déplace – la principale composante de l’Univers.
Chaque forme est à six dimensions - selon le nombre de six dimensions supplémentaires
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Dix dimensions

Mais en fait, les équations de la théorie des cordes nécessitent même pas une, mais six dimensions supplémentaires (au total, avec les quatre que nous connaissons, il y en a exactement 10). Ils ont tous un visage très tordu et tordu forme complexe. Et tout est incroyablement petit.

Comment ces minuscules mesures peuvent-elles influencer notre grand monde ? Selon la théorie des cordes, c'est décisif : pour elle, la forme détermine tout. Lorsque vous appuyez sur différentes touches d'un saxophone, vous obtenez des sons différents. Cela se produit parce que lorsque vous appuyez sur une touche ou une combinaison de touches particulière, vous modifiez la forme de l'espace de l'instrument de musique où circule l'air. Grâce à cela, différents sons naissent.

La théorie des cordes suggère que d’autres dimensions courbes et tordues de l’espace se manifestent de la même manière. Les formes de ces dimensions supplémentaires sont complexes et variées, et chacune fait vibrer différemment la corde située dans ces dimensions, précisément en raison de leurs formes. Après tout, si nous supposons, par exemple, qu'une corde vibre à l'intérieur d'une cruche et l'autre à l'intérieur d'un cornet incurvé, ce seront des vibrations complètement différentes. Cependant, si l'on en croit la théorie des cordes, les formes des dimensions supplémentaires semblent en réalité beaucoup plus complexes qu'une cruche.

Comment fonctionne le monde

La science connaît aujourd’hui un ensemble de nombres qui constituent les constantes fondamentales de l’Univers. Ce sont eux qui déterminent les propriétés et les caractéristiques de tout ce qui nous entoure. Parmi ces constantes figurent par exemple la charge d'un électron, la constante gravitationnelle, la vitesse de la lumière dans le vide... Et si nous modifions ces chiffres, même d'un nombre de fois insignifiant, les conséquences seront catastrophiques. Supposons que nous augmentions la force interaction électromagnétique. Ce qui s'est passé? Nous pouvons soudainement constater que les ions commencent à se repousser plus fortement, et fusion thermonucléaire, qui fait briller les étoiles et émettent de la chaleur, est soudainement tombé en panne. Toutes les étoiles s'éteindront.

Mais qu’est-ce que la théorie des cordes, avec ses dimensions supplémentaires, a à voir là-dedans ? Le fait est que, selon elle, ce sont les dimensions supplémentaires qui déterminent valeur exacte constantes fondamentales. Certaines formes de mesure font vibrer une corde d’une certaine manière et produisent ce que nous considérons comme un photon. Sous d’autres formes, les cordes vibrent différemment et produisent un électron. En vérité, Dieu est dans les « petites choses » – ce sont ces petites formes qui déterminent toutes les constantes fondamentales de ce monde.

Théorie des supercordes

Au milieu des années 1980, la théorie des cordes a pris une dimension majestueuse et look mince, mais à l'intérieur de ce monument il y avait une confusion. En quelques années seulement, cinq versions de la théorie des cordes ont vu le jour. Et bien que chacune d'elles soit construite sur des cordes et des dimensions supplémentaires (les cinq versions sont unies dans la théorie générale des supercordes), ces versions divergent considérablement dans les détails.

Ainsi, dans certaines versions, les cordes avaient des extrémités ouvertes, dans d'autres elles ressemblaient à des anneaux. Et dans certaines versions, la théorie exigeait même non pas 10, mais jusqu'à 26 dimensions. Le paradoxe est que les cinq versions actuelles peuvent être considérées comme également vraies. Mais lequel décrit réellement notre Univers ? Ce un autre mystère théorie des cordes. C’est pourquoi de nombreux physiciens ont encore une fois renoncé à cette théorie « folle ».

Mais le principal problème des cordes, comme déjà mentionné, est l’impossibilité (du moins pour l’instant) de prouver expérimentalement leur présence.

Certains scientifiques, cependant, affirment encore que la prochaine génération d'accélérateurs dispose d'une opportunité très minime, mais toujours de tester l'hypothèse de dimensions supplémentaires. Bien que la majorité, bien sûr, soit sûre que si cela est possible, cela n'arrivera hélas pas très bientôt - au moins dans des décennies, au maximum - même dans cent ans.

La théorie des cordes est un mince fil reliant la théorie de la relativité (ou Théorie de la Relativité Générale - GTR) et la physique quantique. Ces deux domaines sont apparus assez récemment à l'échelle scientifique, de sorte que même littérature scientifique il n'y en a pas encore beaucoup dans ces industries. Et si la théorie de la relativité repose encore sur une sorte de base éprouvée, alors la branche quantique de la physique à cet égard est encore très jeune. Comprenons d’abord ces deux industries.

Beaucoup d’entre vous ont sûrement entendu parler de la théorie de la relativité et connaissent même un peu certains de ses postulats, mais la question est : pourquoi ne peut-elle pas être liée à la physique quantique, qui fonctionne au niveau micro ?

Ils partagent le Commun et Théorie spéciale relativité (abrégés en GTR et SRT ; désormais ils seront utilisés comme abréviations). En bref, GTR postule sur l’espace extra-atmosphérique et sa courbure, et STR sur la relativité de l’espace-temps du point de vue humain. Lorsque nous parlons de théorie des cordes, nous parlons spécifiquement de relativité générale. Théorie générale La relativité dit que dans l'espace, sous l'influence d'objets massifs, l'espace se courbe autour de lui (et avec lui le temps, car l'espace et le temps sont des concepts totalement indissociables). Un exemple tiré de la vie de scientifiques vous aidera à comprendre comment cela se produit. A été récemment enregistré cas similaire, donc tout ce qui est dit peut être considéré « basé sur événements réels" Une scientifique regarde à travers un télescope et voit deux étoiles : une devant elle et l’autre derrière elle. Comment avons-nous pu comprendre cela ? C’est très simple, car l’étoile dont on ne voit pas le centre, mais dont seuls les bords sont visibles, est la plus grande des deux, et l’autre étoile, qui est visible dans sa forme complète, est la plus petite. Cependant, grâce à la relativité générale, il se peut que l’étoile devant soit plus grande que celle derrière. Mais est-ce possible ?

Il s'avère que oui. Si l'étoile avant s'avère être un objet supermassif qui courbera très fortement l'espace qui l'entoure, alors l'image de l'étoile qui se trouve derrière fera simplement le tour de l'étoile supermassive en courbure et nous verrons l'image qui a été mentionnée au tout début. Vous pouvez voir ce qui a été dit plus en détail sur la figure. 1.

La physique quantique est beaucoup plus difficile pour personne ordinaire, plutôt que CELA. Si l'on généralise toutes ses dispositions, on obtient ce qui suit : les micro-objets n'existent que lorsqu'on les regarde. De plus, la physique quantique dit également que si une microparticule est divisée en deux parties, ces deux parties continueront à tourner le long de leur axe dans la même direction. Et tout impact sur la première particule sera sans aucun doute transmis à la seconde, et ce instantanément et totalement quelle que soit la distance de ces particules.

Alors, quelle est la difficulté de combiner les concepts de ces deux théories ? Le fait est que GTR considère les objets dans le macromonde, et lorsque nous parlons de distorsion/courbure de l'espace, nous entendons un espace idéalement lisse, ce qui est complètement incompatible avec les dispositions du micromonde. Selon la théorie de la physique quantique, le micromonde est complètement inégal et présente une rugosité omniprésente. C’est parler dans le langage courant. Et les mathématiciens et les physiciens traduisaient leurs théories en formules. Ainsi, lorsqu’ils ont essayé de combiner les formules de la physique quantique et de la relativité générale, la réponse s’est avérée être l’infini. L'infini en physique revient à dire que l'équation est mal construite. L'égalité résultante a été revérifiée plusieurs fois, mais la réponse était toujours l'infini.

La théorie des cordes a apporté des changements fondamentaux dans le monde scientifique quotidien. Cela représente un décret selon lequel toutes les microparticules ne sont pas sphérique, mais les formes de cordes allongées qui imprègnent tout notre univers. Des grandeurs telles que la masse, la vitesse des particules, etc. sont établies par les vibrations de ces cordes. Chacune de ces chaînes est théoriquement située dans une variété Calabi-Yau. Ces variétés représentent un espace très courbé. Selon la théorie de la diversité, ils ne sont reliés par rien dans l’espace et se trouvent séparément dans de petites boules. La théorie des cordes efface littéralement les limites claires du processus de connexion de deux microparticules. Lorsque les microparticules sont représentées par des billes, nous pouvons alors tracer clairement la limite dans l'espace-temps lorsqu'elles se connectent. Cependant, si deux cordes sont connectées, l'endroit où elles sont « collées » peut être vu sous différents angles. Et sous différents angles, nous obtiendrons des résultats complètement différents concernant la limite de leur connexion, c'est-à-dire qu'il n'y a tout simplement pas de concept exact d'une telle frontière !

Au premier stade de l'étude, la théorie des cordes, racontée même avec des mots simples, semble mystérieuse, étrange et même simplement fictive, mais ce ne sont pas des mots sans fondement qui en parlent, mais des recherches qui, à l'aide de nombreuses équations et paramètres, confirment la probabilité de l'existence de particules de cordes.

Et enfin, une autre vidéo expliquant la théorie des cordes dans un langage simple du magazine Internet QWRT.