Может ли самый фантастический и спекулятивный кандидат в «теорию всего» пролить свет на самые невидимые объекты Вселенной?
“Я просто думаю, что в теории струн произошло слишком много хороших вещей, чтобы все было не так. Люди не очень хорошо это понимают, но я просто не верю, что существует большой космический заговор, создавший эту невероятную вещь, не имеющую ничего общего с реальным миром». - Эд Виттен
Если бы только «хорошесть» была законным набором критериев того, верна теория или нет! Теория струн - или, точнее, струнная гипотеза - возникает более 40 лет назад. Еще в начале 1970-х физики изучали новые нестабильные высокоэнергетические частицы, образующиеся на коллайдерах: барионы (набор из трех кварков), антибарионы (набор из трех антикварков) и мезоны (пары кварк-антикварк).
В то время мы не знали наверняка о кварках и антикварках, но мы знали, что если взять мезон и попытаться «растянуть» его на части, в какой-то момент он «разорвется,” и производят два мезона вместо одного. Если взять магнит с северным и южным полюсами и сломать его, то получится два магнита, каждый с северным и южным полюсом. Что ж, похоже, что мезоны работают точно так же, и отсюда и возникла идея струнной гипотезы.
Вместо того, чтобы состоять из элементарных точечных частиц, идея заключалась в том, что все будет состоять из струн, либо «открытых» (линейных) струн, либо «замкнутых» (подобных петле). струны, вибрирующие на разных частотах. Оказалось, что эта идея совершенно неверна для внутренних частей барионов и мезонов: ее теоретические предсказания, такие как существование новых частиц со спином 2, не были подтверждены экспериментом.«Струнная модель» была отвергнута, поскольку квантовая хромодинамика (КХД) намного лучше описывала точечные частицы, обнаруженные в результате глубокого неупругого рассеяния внутри этих объектов.
Но вместо того, чтобы струны были важны в масштабах ~МэВ/ГэВ, где доминируют эффекты КХД, было осознано, что мы можем поднять шкалу энергий для струн вплоть до (или около) планковской шкала: около 10^19 ГэВ. Появляющиеся частицы со спином 2 могут быть гравитонами, и вдруг мы объединим не только электромагнитное и слабое взаимодействия, не только сильное взаимодействие, но и гравитацию. Все силы, которые мы наблюдали, были бы низкоэнергетическими версиями с нарушенной симметрией одной фундаментальной всеохватывающей модели: теории струн.
Так вот в чем идея. До сих пор все его предсказания относительно того, что должно быть потенциально наблюдаемым в нашей Вселенной - суперсимметрия, дополнительные измерения, новые частицы, новые распады - не подтвердились. Каждое наблюдение согласуется с нулевыми результатами: никакой теории струн. Но, возможно, есть умные способы обнаружить, как теория струн может привести к наблюдаемому эффекту, который не предсказывается стандартной физикой в реальной Вселенной.
Сегодня позже - в 19:00 по восточному поясному времени / 16:00 по тихоокеанскому времени - Институт периметра, в рамках своей серии лекций, будет транслировать доклад доктора Аманды Пит на тему Лего по теории струн для черных дыр. Доклад обещает обсудить парадоксы, связанные с черными дырами, и, в частности, информационный парадокс, а также то, как теория струн может найти способ его разрешения.
Несмотря на мой статус скептика в отношении того, что теория струн актуальна для нашей Вселенной - Я ведь писал, что она уже мертва - Я оптимистично настроен, что это выступление будет связано с наблюдаемыми, и способ подтвердить или опровергнуть некоторые аспекты этой хваленой идеи.
Итак, как посмотреть и прочувствовать это выступление? В прямом эфире, с моим живым блогом, конечно же, в режиме реального времени!
У меня есть прямая трансляция ниже (будет заменена постоянной ссылкой на видео после окончания выступления), www.youtube.com/embed/6YT-xpSv9n4, а затем я буду вести блог с выступлением доктора Пита, так же, как в прошлом у меня было два других доклада из Perimeter. Откройте эту страницу в новой вкладке или окне, чтобы вы могли перезагружать ее, и следуйте инструкциям. Не могу дождаться и надеюсь увидеть вас там!
15:54 - Давайте начнем живой блог! Чтобы вас взволновать, послушайте, как доктор Пит с энтузиазмом исследует природу самой физики.
Почему фундаментальные законы и константы существуют такими, какие они есть? Как они породили Вселенную, которую мы имеем сегодня? Это один из величайших вопросов, и я обожаю желание доктора Пита выяснить все это!
15:57 - Является ли теория струн возможным путем к этим ответам? Это очень, очень хороший вопрос. Это было в течение десятилетий: это тупик, это математическая возможность, имеет ли это физическое отношение к нашей Вселенной, или это просто спекуляция без перспективы наблюдаемых для нашей Вселенной? Позвольте мне отослать вас к xkcd:
Мы все хотим знать.
15:59 - И давайте просто уберем сами знаете какие шутки.
16:01 - Хорошо, и если вы никогда не видели кадр внутри аудитории Института Периметра, вот один: это упаковано!
16:04 - Доктор Пит говорит кое-что, что мне очень понравилось для начала: вот две вещи, которые ее очень интересуют - теория струн и черные дыры - потому что они во многом представляют собой возможную испытательную площадку для теории струн. В конце концов, если вы хотите выйти за рамки общей теории относительности гравитации, вам нужно добраться до мест, где классическая (не квантовая) физика не работает. Для гравитации это означает, что вам нужна сингулярность.
И чтобы получить это, вам нужно отправиться в центр черной дыры: это единственное место, куда вы можете отправиться, о котором вы знаете, что оно реально и даже (в некоторой степени) доступно, и действительно найти место где могут быть важны квантовые гравитационные - и, следовательно, струнно-теоретико- эффекты.
16:07 - Мне также нравится, как доктор Пит излагает три различных типа физики, когда дело доходит до зондирующей струны теория: экспериментальная, теоретическая и вычислительная. Доктор Пит просто признает, что они теоретики, как и я.
В астрономии, кстати, их три: теоретическая, наблюдательная и инструментальная. «Вычислительный» - это просто подмножество как теоретического, так и наблюдательного в астрономии/астрофизике, в то время как вычислительный - в физике элементарных частиц - часто является очень важной частью того, что мы называем феноменологией, где теория пересекается с потенциально экспериментальными наблюдаемыми.
16:10 - если хотите другую «картинку» фундаментальных частиц, рекомендую эту картинку, которая их ломает в гораздо более доступной форме, чем игрушки в стиле шапочек, которые производит Particle Zoo.
16:15 - Доктор Пит говорит нечто важное: какие у нас есть доказательства того, что эти «фундаментальные частицы» являются точечными? например, вместо того, чтобы иметь какую-то ненулевую размерную структуру?
Ну, у нас есть это:
Но хорошенько подумайте об этом: БАК может опуститься примерно до 10^-20 м, что очень мало, примерно 1/100000 размера протона. Но если масштаб струны меньше, чем этот - и он может быть всего 10^-35 м - мы не узнаем, пока не пройдем весь путь до такого уровня энергии: возможно, в 10^14 раз выше, чем может достичь БАК.
Это возможно, независимо от того, что говорят наши чувства.
16:18 - это важно: в теории струн вы можете получить частицу со спином 2. Вы также можете получить частицы со спином 1 (фотоны, глюоны, бозоны W- и Z) и частицы со спином 0 (бозон Хиггса). Доктор Пит не упомянул об этом, но у вас также могут быть фермионные частицы (со спином 1/2). Пьер Рамон, физик из Университета Флориды (и один из моих бывших профессоров в аспирантуре), был тем, кто открыл это.
16:20 - «Если бы теория струн была изобретена первой [до гравитации], все теоретики струн получили бы Нобелевские премии.”
Это правда, но это ироничное замечание противоречит той трудности, с которой я сталкиваюсь в данный момент с теорией струн: она должна делать больше, чем просто post предсказания, ему необходимо делать реальные предсказания новых наблюдаемых явлений. В противном случае это просто красивая, забавная идея.
16:23 - Доктор Пит говорит нечто очень важное: теория струн позволяет построить лучшую теорию гравитации, чем стандартная физика элементарных частиц делает. Удивительная вещь - и это немного глубоко - заключается в том, что "стандартная физика элементарных частиц" не дает вам вообще никакой теории гравитации Вы ничего не получаете!
Что дает вам теория струн? Ну, это что-то дает. Это дает вам 10-мерную теорию гравитации Бранса-Дикке (скалярно-тензорную). Если вы уберете шесть из этих измерений и уберете скалярный член - оба необходимы для согласования с наблюдениями - , вы можете получить общую теорию относительности Эйнштейна. Проблемы есть, но опять же: можно.
16:28 - Вам нужно создать модель для описания реальности. Вам не нужно идти дальше известной физики, чтобы понять это. Я хочу, чтобы вы подумали о том, как сложно что-то вычислить в общей теории относительности.
Вы когда-нибудь делали такое? Ну, если вы изучали физику в средней школе или колледже, вы, вероятно, рассчитали силу между двумя объектами, используя закон тяготения Ньютона. Вы когда-нибудь делали это с помощью уравнений Эйнштейна?
Думаю, нет, потому что вы не можете. Если вы хотите, чтобы ваше пространство-время было пустым, это легко. Это специальная теория относительности.
Хотите добавить туда одну точечную массу? Нет проблем: Карлу Шварцшильду потребовался месяц, чтобы найти это решение.
Хотите две точечные массы? Это невозможно, поэтому все, что мы можем сделать, это делать приближения и модели.
16:33 - черные дыры излучают излучение! Это (IMO) самый большой (и, на самом деле, единственный крупный) вклад Хокинга в астрофизику. Однако это всего лишь тепловое излучение со спектром абсолютно черного тела.
Вы можете вычислить это, рассчитав соответствующую квантовую теорию поля в искривленном пространстве-времени на горизонте событий черной дыры или рядом с ним. Проблема в том - и возникает информационный парадокс - когда вы считаете, что материал, который упал внутрь, имел реальную информацию: сохраняющиеся квантовые числа. Такие вещи, как заряд, цветовой заряд, масса, барионное число, лептонное число, число семейства лептонов, спин и т. д.
Но исходящая радиация съедает эту информацию. Так он уничтожается? Что это означает для энтропии/термодинамики?
Это проблема.
16:37 - почему нельзя использовать теорию относительности Эйнштейна для расчета физики черных дыр? Доктор Пит приводит красочную аналогию с борьбой с супругами…
но настоящая проблема заключается в том, что Общая теория относительности является - как утверждает д-р Пит - теорией очень массивного, в то время как квантовая механика является теорией очень малого. Что мы делаем, когда получаем что-то очень большое в очень маленьком масштабе? Ну… мы не знаем. Мы получаем «сингулярности» или вещи, которые не имеют смысла: бесконечные плотности и ответы, которые либо бесконечны, либо бесконечно малы для величин, которые должны быть конечными.
Так что нам нужно? Реально квантовая теория гравитации. Теория струн прямо сейчас может быть единственным жизнеспособным кандидатом.
16:41 - Доктор Пит говорит, что вероятность должна быть между 0% и 100%. Интересно, чувствовали ли они когда-нибудь потребность выкладываться на 110%?
Это невозможно. Никто не может дать больше, чем на сто процентов. По определению, это максимум, что кто-либо может дать».
16:45 - Так что у вас есть в теории струн? Ну, у вас могут быть открытые струны, закрытые струны и муфты. У вас также могут быть открытые струны с концами (это очень важно), и они заканчиваются на двумерных поверхностях: бранах.
Тогда вы можете спросить: а где кончаются браны? Нужны ли им трехмерные «поверхности», чтобы зацепиться за них? Ну, если это «открытые» браны, то да. А как насчет этих 3-бран? Вы видите, к чему все идет, и ваш ответ: да, ваши худшие опасения сбываются.
16:48 - Теперь мы переходим к проблеме: количественная работа. Как нам получить Вселенную, которая согласуется с нашей Вселенной? Если мы хотим начать с ингредиентов теории струн, что нам нужно сделать, чтобы получить вселенную, подобную нашей?
Вам нужно огромное количество бран, а также - что-то, о чем доктор Пит не упомянул - очень специфические связи и вакуумные средние значения. Откуда берутся эти значения? Ну… вы должны выбрать их. Теория струн не дает вам механизма, который выбирает их за вас.
Мне кажется - , я констатирую - что вы поменяли одну сложную задачу как минимум на другую сложную задачу, а возможно и гораздо более сложную.
16:52 - Но вы можете построить черную дыру с импульсом, «однобранным» зарядом и «пятибранный» заряд. Имейте в виду, кстати, что не все черные дыры должны иметь точечные сингулярности в центре. Вращающиеся черные дыры, например, имеют сингулярности, похожие на одномерные кольца.
Удивлен, что у нас нет упоминания об интересной для этого «однобране»!
16:55 - Может ли аналогия с LEGO, которую использует доктор Пит, объяснить излучение Хокинга? Да, но это LEGO, на которые вы всегда наступаете, когда идете в ванную посреди ночи.
Всем извините.
16:57 - Теперь об идее голограммы. Теория струн, как сказал д-р Пит, имеет больше измерений, чем наша Вселенная, и это плохо Но, возможно, наша Вселенная может быть тем, что кажется быть трехмерным пространством, которое имеет гораздо больше измерений, точно так же, как голограммы на самом деле двухмерны, но кодируют информацию нашей трехмерной Вселенной.
Доктор. Пит отлично объясняет эту идею.
17:01 - то, о чем говорит доктор Пит в отношении голограмм, известно как соответствие AdS/CfT, которое показывает, что наше четырехмерное (3 пространства + 1 время) пространство-время - «конформная теория поля» - математически эквивалентно пятимерному пространству-времени анти-де Ситтера. Это интересно! Но это также беспокоит… потому что теория струн требует десяти (или 11) измерений, а не пяти, и потому что наша Вселенная имеет положительную космологическую постоянную для темной энергии, а не отрицательный, который приходит с анти-де Ситтеровским пространством-временем.
17:03 - Должен отдать должное своевременному началу и своевременному окончанию. Несмотря на то, что не было никакой связи с наблюдаемыми, это был очень интересный разговор.
5:05 PM - Проблема, как было сказано в разделе «Вопросы и ответы» по голографическому принципу, заключается в том, что мы можем спуститься только на одну измерение. Можем ли мы перейти от 10- или 11-мерного пространства-времени к нашей 4-мерной Вселенной? Это неизвестно.
17:08 - Можно ли опровергнуть теорию струн? Это наука? Можно ли это «доказать»?
Может ли наша теория объяснить большинство вещей, которые мы видим? Может ли он предсказывать новые вещи, которые мы видим?
Вот забавная вещь: это может быть фальсифицировано. Вы можете обнаружить, например, отсутствие суперсимметрии во всех масштабах, что исказило бы ее.
К сожалению, доктор Пит не приводит убедительных доводов в пользу того, что теория струн может быть каким-либо образом подтверждена или что она может сделать новое предсказание, которое мы можем проверить.
17:11 - Я бы хотел, чтобы д-р Пит рассказал о том, какие эксперименты (или какие наблюдательные сигнатуры) могли бы, например, аннулировать теорию струн, как часть их ответа.
17:13 - Спасибо за отличный разговор, доктор Пит, спасибо компании Perimeter за то, что предложили мне принять и сделайте этот живой блог, и спасибо вам за посещение! Надеюсь, вам понравилось!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs.