Теорија на жиците

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на: содржини, барај

Теорија на жицитетеоретска рамка на активна потрага во физиката која се обидува да ги спои квантната механика и теоријата на релативноста.[1] Се смета како „теорија за сè“, начин да се објаснат познатите сили и материјата со помош на математиката. Оваа теорија е употребена за необични предвидувања, па затоа некои научници сметаат дека не може да се земе како дел од науката.

Според теоријата на жиците, електронот и кваркот не се со нулта димензија, туку линии од прва димензија кои осцилираат („жици“). Најраниот модел на жици, „жиците на бозонот“, ги вклучува само бозоните, односно дека постои врска (суперсиметрија) меѓу бозоните и фермионите. На теоријата за жиците ѝ требаат неколку дополнителни димензии на универзумот, покрај веќе познатите четири димензии.

Оваа теорија се појавила со напорот да се сфати силата на двојниот резонантен модел во 1969 година. Пет посебни теории се разработени кои ги вклучуваат фермионите и друго што е потребно за една „теорија на сè“. Од средината на 1990-те години, теоријата за единаесет димензии наречена М-теорија ги опфатила сите претходни теории.

Повеќето врвни теоретичари во физиката, како Стивен Хокинг, Едвард Витен, Хуан Малдасена и Леонард Сускинд, веруваат дека теоријата на жиците е чекор кон правилен опис на природата. Ова е поради тоа што теоријата на жиците овозможува комбинирање на квантната теорија и теоријата за релативноста, се согласува со општите увиди на квантната гравитација (како на пример со холографскиот принцип и термодинамиката на црните дупки), и заради тоа што ги поминала проверките за постојаност.[2][3][4][5] Според Стивен Хокинг М-теоријата е единствен кандидат да биде комплетна теорија на универзумот.[6] Сепак, други познати физичари како Ричард Фајнман и Шелдон Ли Глешо, ја критикуваат теоријата на жиците затоа што не нуди величински експериментални предвидувања.[7][8]

Преглед[уреди]

Теоријата на жиците тврди дека електроните и кварковите во атомот не се 0-димензионални објекти, туку се создадени од 1-димензионални жици. Овие жици можат да осцилираат, со што на набљудуваните честички им ја даваат нивната главна особина, полнењето, масата и вртежот. Теоријата за жиците исто така вклучува објекти поопшти од жиците, наречени брани. Зборот брана, доаѓа од „мембрана“, и означува разни објекти во меѓусебен однос, како што се Д-браните, црни п-брани и NS5-брани. Овие објекти се во взаемно содејство преку разни дуалитети. Црните п-брани кои се налик на црна дупка се идентификуваат со Д-браните, кои се крајни за жиците, а ова идентификување с енарекува „дуалност на измерена гравитација“. Нивното истражување доведе до увиди во квантната хромодинамика, основната теорија на силната нуклеарна сила.[9][10][11][12] Жиците создаваат блиски чворови сè додека да наидат на Д-браните, и тогаш се претвораат во 1-димензионални линии. Краевите на жицата не можат да ги пробијат Д-браните, но можат да се свиткаат околу нив.

Нивоа на зголемување:
1. Макроскопско ниво – материја
2. Молекуларно ниво
3. Атомско ниво – протони, неутрони и електрони
4. Субатомско ниво – електрон
5. Субатомско ниво – кваркови
6. Ниво на жиците

Бидејќи теоријата на жици е широко прифатена како теорија за квантната гравитација, многумина се надеваат дека оваа теорија правилно го опишува нашиот универзум, и со тоа таа е „теорија на сè“. Постојат познати конфигурации кои ги опишуваат сите познати основни сили и супстанции, но немаат космолошка постојаност.[13] Постојат други конфигурации со различни вредности за космолошката постојаност.

Целосната теорија сè уште нема задоволителна дефиниција за сите околности, бидејќи растурањето на жиците е најдобро дефинирано од теоријата за пертурбација. Целосната квантна механика на високо димезнионалните брани не е лесно да се дефинира, и однесувањето на теоријата на жиците во космолошки услови (вренески зависни позадини) не е разработено. Исто така не е јасно дали постои некаков принцип според кој теоријата на жиците ја избира својата состојба на вакуум, конфигурација време-простор која ги одредува особините на нашиот универзум.

Како што е случај со било која друга квантна теорија за гравитација, се верува дека за директно тестирање на теоријата е потребен исклучително скап подвиг на инженерите. Сепак постојат неколку индиректни експерименти кои може да ја поддржат теоријата на жиците.

Основни карактеристики[уреди]

Теоријата на жиците може да се формулира со помош на принципот на постапки, било со Намбу-Гото постапка или со Полјаков постапка, кои опишуваат како жиците се движат во просторот и времето. Во отсуство на надворешна взаемна реакција, динамиката на жиците е управувана од тензија и кинетичка енергија, кои се комбинираат за да произведат осцилации.

На скала поголема од радиусот на жиците, секој модалитет на осцилација се однесува како поинаков вид на честичка, со своја маса, брзина и полнење, одредени од динамиката на жиците. Расцепувањето и комбинирањето на жиците одговара на емисијата и апсорпцијата на честичките, и со тоа се зголемува взаемното дејство меѓу честичките.

Аналогија за модалитетот на осцилација на жиците е звук од жица на гитара на повеќе различни музички ноти. Во оваа аналогија, различните ноти се различните честички. Единствената разлика е што гитарата е само 2-димензионална, можеш жицата да ја придвижиш нагоре или надолу. Но замислете жиците на гитарата да се со било која димензија, и да може да осцилираат во секој правец, односно честичките може да се движат не само во нашата димензија, туку и во другите димензии.

Теоријата на жиците ги вклучува и двете: отворените жици, кои имаат две посебни краја, и затворените жици, кои прават целосен чвор. Овие два вида на жици се однесуваат за нијанса различно, и создаваат два различни спектруми. Пример, во повеќето теории на жиците, еден од најзатворените модалитети на жиците е гравитонот, а еден од отворените модалитети е фотонот. Бидејќи двата краја на отворена жица секогаш можат да се сретнат и да се поврзат, формирајќи на тој начин затворена жица, не постои теорија на жиците без затворени жици.

Првиот модел на жици, бозонски жици, ги вклучувала само бозоните. Овој модел ја опишува, во доволно ниски енергии, теоријата на квантната гравитација, која исто така ги вклучува (ако ги употребиме и отворените жици) мерните полиња како фотонот. Како и да е, овој модел има проблеми. Што е уште поважно, теоријата има основна нестабилност, за која се верува дека е резултат на распаѓањето (барем делумното) на време-просторот. Понатаму, како што укажува името, спектрумот на честички содржи само бозони, кои како и фотоните, имаат специфични правила на однесување. Грубо кажано, бозоните се составен дел на радијацијата, но не на материјата, која е создадена од фермиони. Истражувањата за тоа како може теоријата на жиците да ги вклучи фермионите во својот спектрум доведоа до воведување на суперсиметрија, математичка врска меѓу бозоните и фермионите. Теориите на жици кои вклучуваат фермионски вибрации денес се познати како теорија на супержици, од кои неколку се објаснети, а за сите денес се смета дека се различни граници од М-теоријата. Некои квалитативни особини на квантните жици може да се сфатат многу едноставно. Пример, квантните жици се затегнати, налик на обичните жици од конец, а оваа затегнатост се смета за основен параметар на теоријата. Затегнатоста на квантните жици е во близок сооднос со нивната големина. Поради затворениот чвор на жицата, оставена е да се движи низ просторот без надворешна сила. Нејзината затегнатост се собира во помали и помали чворови. Класичната интуиција сугерира дека може да се собере до точка, но ова би го прекришло принципот за несигурност на Хејзенберг. Карактеристичната големина на чворот од жицата е баланс меѓу силата што затегнува, која делува да ја собере, и несигурниот ефект, кој ја држи жицата „оптегната“. Поради тоа, најмалата големина на жицата е во корелација со затегнатоста на жицата.

Површината на светот[уреди]

Движењето на честичката може да биде опишано со цртеж на нејзината позиција (во едно или дводимензионален простор) наспроти времето. Сликата што се добива ја опишува линијата на честичката (неговата „историја“) во време-просторот. Преку аналогија, може да се создаде сличен графикон кој го опишува напредувањето на жицата како поминува времето, а жицата (едно-димензионален објект - мала линија - сама по себе) ќе ја обележи површината (дводимензионалнo многуобразие), позната како „Површината на светот“. Различните модалитети на жицата (претставени со различни честички како што се фотонот или гравитонот) се површински бранови на оваа површина. Затворената жица личи на мал чвор, па неговата површина личи на цевка или дво-димензионална површина без краеви. Отворената жица личи на кратка линија, а нејзината површина личи на лента со краеви.

Взаемно дејство во субатомскиот свет: „линиите“ на честичките налик на точка во стандарден модел или „површината“ свиткана од затворени жици

Жиците може да се расцепат и да се поврзат. Ова се одразува преку формата на нивната површина (нивната топологија). Пример, ако затворена жица се расцепи, нејзината површина ќе личи на една цевка што е расцепена (или поврзана) со две цевки (често како панталони — погледни го цртежот десно). Ако затворена жица се расцепи а подоцна нејзините два дела се спојат повторно, нејзината површина ќе личи на една цевка расцепена на две па повторно споена, што пак личи на набрекнување што спојува две цевки (едната ја претставува жицата што доаѓа, а другата - онаа што заминува). Отворена жица која го прави истото ќе има површина која личи на прстен поврзан со две ленти.

Забележете дека процесот на расцепување (или здружување) на жиците е глобален, не е локален: локално површината изгледа исто насекаде и не е да се разграничи една точка на површината каде се случило расцепувањето. Затоа овие процеси се интегрален дел од теоријата, и се опишани од истите динамици кои го контролираат модалитетот на жиците.

Во некои од теориите на жиците (имено, затворените жици во Тип 1 и некои верзии на бозонските жици), жиците може да се расцепат и повторно да се спојат во споритвен правец. Овие теории се наречени неориентирани.

Дуалитети[уреди]

Пред 1990-те години, теоретичарите верувале дека постојат пет одделни супержичени теории: отворена тип I, затворена тип I, затворена тип IIA, затворена тип IIB, и две теории за хетеротик жици (SO(32) и E8×E8).[14] Постоеше мислење дека од овие пет кандидати само една е навистина вистинска „теорија на сè“, а тоа е теоријата чија ниска граница на енергија со десет димензионален простор-време одговара на физички видливиот свет денес. Денес се верува дека оваа слика е неточна и дека петте теории на супержици се поврзани една со друга и дека се дел од една теорија (а тоа е М-теоријата). Овие теории се поврзани со трансформациите што се нарекуваат дуалитети. Ако две теории се поврзани преку дуалитет, тоа значи дека првата теорија може да се трансформира на некој начин, и на крајот да личи како втората теорија. Ова значи дека двете теории се дуални една на друга преку трансформацијата. Кажано поинаку, двете теории се математички различен опис на иста појава.

Овие дуалитети поврзуваат величини кои се раздвоени. Големо и мало, силно и слабо, се величини кои секогаш обележуваат одвоени граници на однесување на физичкиот систем. Но жиците ги бришат границите меѓу големо и мало, силно и слабо, и на тој начин овие различни пет теории се поврзани.

Теории на жици
Тип Димензии на време-просторот
Детали
бозонски 26 Само бозони, без фермиони, значи само сили без материја, со отворени и затворени жици; главна грешка: честичките со имагинарна маса, наречени tachyon, ја даваат нестабилноста на оваа теорија.
I 10 Суперсиметрија меѓу силите и материјата, со отворени и затворени жици; без tachyon; симетријата на групата е SO(32)
IIA 10 Суперсиметрија меѓу силите и материјата, само со затворени жици D-брани; без tachyon; фермионите без маса се не-chiral
IIB 10 Суперсиметрија меѓу силите и материјата, само со затворени жици D-брани; без tachyon;фермионите без маса се chiral
HO 10 Суперсиметрија меѓу силите и материјата, само со затворени жици; без tachyon; heterotic, значи различни се жиците кои се движат десни и лево; симетријата на групата е SO(32)
HE 10 Суперсиметрија меѓу силите и материјата, само со затворени жици; без tachyon; heterotic, значи различни се жиците кои се движат десни и лево; симетријата на групата е E8×E8

Забележете дека во теориите на жици тип IIA и тип IIB затворените жици се движат насекаде низ 10-димензионалниот време-простор, додека отворените жици имаат краеви поврзани со D-браните, кои се мембрани од пониските димензии (нивните димензии се непарни — 1, 3, 5, 7 или 9 — во тип IIA и парни — 0, 2, 4, 6 или 8 — во тип IIB, вклучувајќи го и правецот на времето).

Дополнителни димензии[уреди]

Број на димензии[уреди]

Необичната карактеристика на теоријата на жиците е дека предвидува дополнителни димензии. Во класичната теорија на жиците бројот на димензии не е фиксен. За да се создаде конзистентна квантна теорија, теоријата на жиците живее во време-простор на таканаречена „критична димензија“: мора да има 26 димензии на време-простор за бозонските жици и 10 за супержиците. Современото сфаќање дека постојат помалку тривијални начини за да се задоволи овој критериум. Космолошките решенија постојат во повеќедимензионалноста, а овие различни димензии се поврзани преку динамични транзиции.[15]

Една таква теорија е М-теоријата за 11 димензии, т.е. време-простор кој има 11 димензии,[16] како спротивност на трите просторни димензии и една (четврта) димензија на време. Првите теории на жици од 1980-те години опишуваат посебен случај на М-теоријата каде единаесеттата димензија е многу мал круг или линија, и ако овие формулации се земат како основи, тогаш теоријата на жиците зборува за десет димензии. Но теоријата исто така опишува универзум како нашиов, со четири видливи димензии на време-простор, но и универзуми со 10 рамни димензии на простор, како и случаи каде позицијата на некои од димензиите не се опишува со цел број, туку со сосема различен тип на математичка величина. И така, претставата за димензиите на време-просторот не е фиксна во теоријата на жиците: различна е за различни околности.[17]

Ништо што содржи теоријата на Максвел за електромагнетизмот или Ајнштајновата теорија на релативноста не го предвидува ова. Овие теории зборуваат за фиксен број на димензии и бројот не зависи од потенцијалот на енергијата. Теоријата на жиците дозволува повеќе димензии. Технички, ова се случува затоа што постои аномалија при мерењето за секој посебен број на предвидените димензии. И уште, отсуството на потенцијална енергијаво „критичните димензии“ објаснува зошто е можен рамен време-простор.

Ова полесно се сфаќа преку забелешката дека фотон вклучен во доследна теорија (технички, честичка која има сила) мора да е без маса. Масата на фотонот во теоријата на жици зависи од енергијата на модалитетот на жицата која го претставува фотонот. Оваа енергија вклучува и придонес од Касимир ефектот, т.е. од квантната флуктуација на жицата. Големината на придонесот зависи од бројот на димензии, а за поголем број на димензии повозможни се флуктуации на позицијата на жицата. Затоа, фотонот во рамен време-простор ќе е без маса само за одреден број на димензии. Кога ќе се заврши пресметката, димензиите не се четири како што би се очекувало (три просторни и една временска). Теориите на жици за рамен простор се 26-димензионални за случајот со бозоните, додека за супержиците и М-теориите вклучуваат 10 или 11 димензии. Во теориите за бозонски жици, 26 димензии доаѓаат од равенката на Полјаков.[18] Неопходно е да видиме како овие димензии кои се над четирите, се сместуваат во четири-димензионалниот време-простор.

Збиени димензии[уреди]

Калаби-Јауово многуобразие (тридимензионална проекција)

Предложени се два различни начина за да се реши оваа контрадикција што се појавува. Првата е да се збијат останатите димензии, т.е. 6 или 7 дополнителни димензии се толку мали што не е можно да се откријат со денешните експерименти. За да се задржи високиот степен на суперсиметрија, овие збиени простори мора да се многу посебни како што покажува нивната холономија.


Аналогија за сфаќање на повеќедимензионалноста е градинарско црево. Ако го гледаш од голема далечина, тоа наликува на едно-димензионално, на линија. Замислете топче доволно мало да влезе во цревото. Тоа тошче би се движело едно-димензионално, односно во било кој ваков експеримент, она што е важно во врска со движењето на топчето е едната димензија, долж цревото. Но, ако се приближиме до цревото, ќе му ја видиме втората димензија - кружниот обем. Па така, ако мравка се движи по него, ќе се движи во две димензии (а мува ќе лета во три димензии). Овие „дополнителни димензии“ се видливи само од блиску. Слично на ова, дополнителните збиени димензии се „видливи“ на екстремно мали далечини или преку експериментирање со честички кои имаат екстремно мала бранова должина, а кои според квантната механика имаат многу висока енергија.

Сценарио на брани[уреди]

Другото објаснување вели дека ние сме „заглавени“ во 3+1 димензионален време-простор, што е само дел од целиот универзум. Ако време-просторот е дел од збир на многу димензии, тогаш значи дека постои соодветно локализирана материја и Јанг-Милсови полиња на мерење.[19]

Наводи[уреди]

  1. Sunil Mukhi(1999)"The Theory of Strings: A Detailed Introduction"
  2. Joseph Polchinski, "All Strung Out?", American Scientist, January-February 2007 Volume 95, Number 1
  3. "On the right track. Interview with Professor Edward Witten. ", Frontline, Volume 18 - Issue 03, Feb. 03 - 16, 2001
  4. Leonard Susskind, "Hold fire! This epic vessel has only just set sail...", Times Higher Education, 25 August 2006
  5. Geoff Brumfiel, "Our Universe: Outrageous fortune", Nature, Nature 439, 10-12 (5 January 2006) | doi:10.1038/439010a; Published online 4 January 2006
  6. Hawking, Stephen (2010). „The Grand Design“. Bantam Books. 
  7. "NOVA - The elegant Universe"
  8. Jim Holt, "Unstrung", The New Yorker, October 2, 2006
  9. H. Nastase, More on the RHIC fireball and dual black holes, BROWN-HET-1466, arXiv:hep-th/0603176, March 2006,
  10. H. Liu, K. Rajagopal, U. A. Wiedemann, An AdS/CFT Calculation of Screening in a Hot Wind, MIT-CTP-3757, arXiv:hep-ph/0607062 July 2006,
  11. H. Liu, K. Rajagopal, U. A. Wiedemann, Calculating the Jet Quenching Parameter from AdS/CFT, Phys.Rev.Lett.97:182301,2006 arXiv:hep-ph/0605178
  12. H. Nastase, The RHIC fireball as a dual black hole, BROWN-HET-1439, arXiv:hep-th/0501068, January 2005,
  13. Burt A. Ovrut (2006). „A Heterotic Standard Model“. „Fortschritte der Physik“ 54-(2-3): 160–164. doi:10.1002/prop.200510264. Bibcode2006ForPh..54..160O. 
  14. S. James Gates, Jr., Ph.D., Superstring Theory: The DNA of Reality "Lecture 23 – Can I Have That Extra Dimension in the Window?", 0:04:54, 0:21:00.
  15. Simeon Hellerman and Ian Swanson(2006): "Dimension-changing exact solutions of string theory".; Ofer Aharony and Eva Silverstein(2006):"Supercritical stability, transitions and (pseudo)tachyons".
  16. M. J. Duff, James T. Liu and R. Minasian Eleven Dimensional Origin of String/String Duality: A One Loop Test Center for Theoretical Physics, Department of Physics, Texas A&M University
  17. Polchinski, Joseph (1998). String Theory, Cambridge University Press.
  18. "Quantum Geometry of Bosonic Strings – Revisited"
  19. See, for example, T. Hübsch, "A Hitchhiker’s Guide to Superstring Jump Gates and Other Worlds", in Proc. SUSY 96 Conference, R. Mohapatra and A. Rasin (eds.), Nucl. Phys. (Proc. Supl.) 52A (1997) 347–351

Надворешни врски[уреди]