V základní fyzice , teorie strun je teoretický rámec, v němž bodové částice z fyziky částic jsou reprezentovány jedním trojrozměrných objektů zvaných řetězce . Teorie popisuje, jak se tyto řetězce šíří v prostoru a vzájemně na sebe působí. Na stupnicích vzdálenosti větších než stupnice řetězce vypadá řetězec jako obyčejná částice, jejíž hmotnost , náboj a další vlastnosti jsou určeny vibračním stavem řetězce. V teorii strun jeden z těchto vibračních stavů odpovídá gravitonu, částice popsaná kvantovou mechanikou, která nese gravitační interakci . Teorie strun je tedy teorií kvantové gravitace .
Vzhledem k tomu, že teorie strun potenciálně poskytuje jednotný popis gravitace a fyziky částic, je kandidátem na teorii všeho , samostatný matematický model, který popisuje všechny síly a formy hmoty . Přes mnoho práce na těchto otázkách není jasné, do jaké míry teorie strun popisuje skutečný svět nebo kolik svobody ponechává teoretický rámec při volbě jeho podrobností.
Teorie strun byla aplikována na různé problémy
Na druhou stranu to stimulovalo řadu významných vývojů v čisté matematice . Zejména to umožnilo konceptualizovat zrcadlovou symetrii v geometrii .
Teoretická fyzika dnes je založen na dvou hlavních teorií týkajících částicové fyzice:
Obecnou teorii relativity podporují zejména astronomická pozorování (v měřítku sluneční soustavy, jako je postup Merilova perihelionu, a v astronomickém měřítku, jako jsou gravitační čočky a dynamika binárních hvězd), ale také konkrétní aplikace, jako je GPS .
Kvantová mechanika je podporována všemi pozorováními na nižších stupnicích (od pikometrů po miliardy kilometrů).
Každá z těchto dvou teorií vedla k působivým úspěchům (ve smyslu přesných a spolehlivých experimentů, srov. Klasická mechanika a Kvantová mechanika ) ve svém oboru, ale výše zmíněný hluboký rozdíl je příčinou nesrovnalostí. Někteří fyzici proto zaujali pragmatický postoj: využijme každý nástroj v oblasti jeho platnosti, aniž bychom způsobili problémy, které mohou být neřešitelné (srov. Kodaňská škola , na rozdíl od jiných, kteří navrhují realističtější pohled v souladu se dvěma teoriemi, srov. . De Broglie-Bohm teorie ).
Zůstává, že určité jevy by vyžadovaly použití těchto dvou teorií. Tak, černá díra má takový gravitační pole, které přitahuje cokoliv, co projde v jeho dosahu, včetně světla, což znamená obecnou relativitu. Abychom se pokusili popsat „podstatu“ „hmoty“, z níž je vyrobena, což implikuje formulaci matematicky koherentní teorie pole, je nutné apelovat na kvantovou mechaniku. První okamžiky velkého třesku by představovaly, považujíc teorii za platnou, alespoň na první pohled podobný problém. Řetězcové teorie se pokoušejí tyto jevy popsat. Elegant Universe od Briana Greena poskytuje jeho přehled pro použití neodborníky.
Kromě níže zmíněných základních kontroverzí mají strunové teorie praktickou nevýhodu, jejich extrémní složitost, která nám dosud neumožňuje dosáhnout použitelných výsledků bez hrubých aproximací. K dnešnímu dni se jedná především o matematickou teorii s fyzickými cíli, jejíž platnost ještě musí prokázat zkušenost.
Tato teorie je založena na dvou předpokladech:
Z těchto předpokladů teorie strun předpovídá, že:
V šedesátých letech je chování hadronů pro vědeckou komunitu stále záhadou. Různé studie prováděné v urychlovačích částic odporují všem formulovaným hypotézám. V roce 1968 fyzik Gabriele Veneziano využívá funkci beta o Euler vysvětlit vztah mezi spinu elektronů a energie. Tato práce je v následujících letech sledována a zdokonalována, ale vždy bez přesvědčivého vysvětlení. V roce 1973 se objevila nová teorie, kvantová chromodynamika (zkráceně QCD pro Quantum ChromoDynamics ), jejíž výsledky byly natolik přesvědčivé, že byla integrována do standardního modelu a v roce 2004 přinesla autorům Nobelovu cenu. Ačkoli neposkytuje vše Odpovědi na otázky fyziků, QCD je stále považován za platný i dnes, ale neznehodnocuje teorii strun, jejíž výzkum pokračuje.
V roce 1984, pozoruhodnou technickou čin, Michael B. Green a John H. Schwarz prokázala nepřítomnost z měřidla nebo gravitačních anomálií v typu I, teorie strun , který je chirální teorie , stejně jako standardní model . Tato práce nabízí poprvé možnost získat realistickou fenomenologii z řetězců.
V polovině 90. let 20. století bylo mezi různými teoriemi strun objeveno velké množství „mostů“ nebo dualit . V roce 1995 fyzik Edward Witten navrhl, že tyto duality odrážejí fundamentálnější teorii nazvanou M theory . Sdružovalo by různé teorie řetězců v spojitém prostoru, každou získanou určitými limity parametrů, které by skládaly prostor modulů . Toto období intenzivní činnosti v terénu mu vyneslo název „druhá strunová revoluce“.
26rozměrná bosonická teorie strun je původní a nejjednodušší teorie strun. Formulace teorie na jejím vesmírném listu obsahuje pouze bosony , proto její název. Obsahuje tachyon (typ hypotetické částice, jejíž energie je skutečné množství a hmotnost (v klidu) čistá imaginární ), což naznačuje, že teorie je nestabilní, a proto není vhodná pro popis reality.
Je však pedagogicky užitečné seznámit se se základními pojmy nalezenými v realističtějších modelech. Zejména na úrovni nulové hmotnosti odhaluje graviton . Připouští otevřená nebo uzavřená lana.
Ve skutečnosti existuje pět teorií superstrun. Společně mají 10dimenzionální vesmír (devět prostoru a jeden času), který nemá tachyony , a předpokládají existenci supersymetrie na listu vesmíru řetězců, což má za následek existenci supersymetrií v cílovém prostoru :
Teorie superstrun se od první odlišují existencí další symetrie, supersymetrie , která se ukázala jako nezbytná, když je žádoucí začlenit fermiony (hmotu) do bosonické teorie strun.
Další rozšířené objekty se objevují v teoriích řetězců, Dp-branes , p je celé číslo, které udává počet prostorových rozměrů dotyčného objektu. Jsou popsány jako podprostory, na kterých žijí konce otevřených řetězců. Studie spektra ukazuje, že brany D1, D3, D5 a D7 mohou být zabudovány do cílového prostoru popsaného teorií II B, zatímco v prostoru, kde žijí řetězce typu II A, mohou být zavedeny brany typu II A. D0, D2 , D4, D6 a D8. D1 mají stejný počet rozměrů jako základní akord (obvykle označovaný F1). I když jsou to dva odlišné objekty, neporušená symetrie teorie II B, zvaná S-dualita , která prošla velkým počtem nepřímých ověření, má tu vlastnost, že si vymění D1 brane s F1.
V roce 1995 na konferenci Strings '95 . Edward Witten syntetizuje velké množství vodítek, které poukazují na existenci 11-dimenzionální teorie, která je základem pěti verzí teorie superstrun, stejně jako 11-dimenzionální supergravitace , kterou lze chápat jako její hraniční případy, zvané teorie M. jednotná vize pěti strunových teorií je v zásadě založena na jejich vzájemném propojení prostřednictvím četných duálních řetězců . Samotné supergravitační maximum lze chápat jako efektivní teorii nízké energie.
Pokud jde o volbu jména, Edward Witten později řekl: „M znamená„ magický “,„ záhadný “nebo„ matricový “, v závislosti na vkusu. "
Můžeme konzultovat stránku teorie strun v prostoru twistorů (en) a několik prvků prezentovaných v diskusi o amplituedronu . Ambitwistorická teorie strun je uvedena na stránce „ Twistor theory “.
Brane , nebo přesněji p-brane, je rozšířený objekt v teorii strun. P je počet prostorových rozměrů , ve kterém brane pokrývá. K tomuto číslu je nutné přidat dočasnou dimenzi, abyste získali celkový počet dimenzí. Například 1-brane je brane s pouze jednou prostorovou dimenzí, ale celkem dvěma dimenzemi. Odpovídají tedy vesmírným povrchům . 2-brane je brane s jednou časovou dimenzí a dvěma prostorovými dimenzemi.
Zavedením bran do teorie strun vzniklo několik kosmologických modelů . Obecná myšlenka branarové kosmologie je, že náš vesmír by byl omezen na 4-brane. To znamená, že částice hmoty ( kvarky , elektrony , atd ), a základní interakce jiné než gravitace (nesené částice, jako je foton , gluonu , atd ), jsou povoleny pouze tam přesunout. ‚Uvnitř Brane zatímco gravitační má možnost pohybu také v úplném časoprostoru ( v angličtině také říkáme objem ), jehož brana představuje pouze podprostor.
Také v rámci modelu velkého třesku byla nedávno představena myšlenka jako alternativa ke kosmické inflaci, která popisuje první okamžiky historie vesmíru , ekpyrotický model . V tomto modelu je počáteční expanze způsobena kolizí brane a anti-brane, která uvolňuje energii potřebnou pro expanzi vesmíru. Tento model předpovídá možnost dalších kolizí, které by vedly k dalším velkým třeskům . Přesto to v komunitě kosmologů nevzbuzuje jednomyslnost a kosmická inflace zůstává mechanismem, který je považován hlavně za popis prvních okamžiků.
Podle teorie strun by náš svět, jehož prostor se zdá být trojrozměrný, netvořil 4 dimenze časoprostoru (3 prostoru a 1 času), ale 10, 11 nebo dokonce 26 dimenzí. Bez těchto dalších dimenzí se teorie zhroutí. Fyzická koherence ( vlnová funkce poskytující nezáporné pravděpodobnosti) skutečně vyžaduje přítomnost dalších dimenzí . Důvodem, proč zůstávají neviditelní, je to, že by byly srolovány procesem dimenzionální redukce v mikroskopickém měřítku (miliardy krát menší než atom), což by nám nedovolilo je detekovat.
Představíme-li si kabel z dálky, představuje pouze přímku bez tloušťky, jednorozměrný objekt. Pokud se dostatečně přiblížíme, uvědomíme si, že skutečně existuje druhá dimenze: ta, která se obklopuje kolem kabelu. Podle teorie strun mohla mít prostorová tkanina velmi velké rozměry, jako jsou naše obvyklé tři rozměry, ale také malé rozměry, které se stočily na sebe.
Prostory Calabi-Yau jsou odrůdy, které hrají roli svinutých rozměrů. Jedná se o extrémně složitý tvar, který se skládá ze 6 rozměrů. Díky nim máme deset dimenzí: naše obvyklé čtyři dimenze (tři prostoru a jedna času) + šest prostorů Calabi-Yau .
Supersymetrie je symetrie ve fyzice částic . Vytváří velmi silné spojení mezi částicemi s úplným odstřeďováním a částicemi s poloplným odstřeďováním . V této souvislosti jsou fermiony spojeny s jiným typem částice: superpartnerem . Superpartneri jsou velké částice, které jsou identické se svým partnerem ve všech ohledech , s výjimkou úrovně rotace : superpartner se liší o půl jednotky.
Supergravitace je teorie, která kombinuje supersymetrii s obecnou relativitou . Jeho provoz je proto založen na 11 rozměrech.
První použití supersymetrie k pochopení silně korelované teorie měřidel ( N = 2) popsali Seiberg a Witten v roce 1994.
Teorie strun ještě není zavedenou teorií, ale stále vyvolává spoustu nadějí. Řada důležitých bodů se jeví jako problematická a stále velmi kontroverzní. Žádná z těchto kontroverzí teorii definitivně nevyvrací, ale ukazuje, že tato teorie se musí stále vyvíjet, zdokonalovat a napravovat své slabosti.
Existuje mnoho řešení rovnic teorie strun, což představuje problém výběru našeho vesmíru a na druhou stranu, i když by bylo možné získat mnoho sousedních modelů, žádný z nich nám neumožňuje přesně vysvětlit standardní model částicové fyziky.
Toto velké množství řešení rovnic teorie strun (někteří fyzici jako Aurélien Barrau hovoří o 10⁵⁰⁰ řešeních nebo dokonce více) však považuje Leonard Susskind , jeden ze zakladatelů teorie strun, (ve své knize Le cosmic landscape ) as otevírá cestu k racionálnímu vysvětlení k tomu, že vesmír vypadá, že byly speciálně navrženy tak, abychom mohli existovat (zejména o úpravě hodnoty některých fyzikálních konstant s vysoce nepravděpodobné stupněm přesnosti, a to až do 120 th desítkové ...). Toto velké množství řešení skutečně umožňuje představit si, že neexistuje jediný vesmír, ale množství, které odpovídá všem realizovaným řešením. Většina by nebyla slučitelná se životem, nebo dokonce s přítomností hvězd nebo atomů, žádná chemie není možná, ale ocitli bychom se v nekonečně malé bublině tohoto „megaveru“ se zvláštními podmínkami umožňujícími vzhled atomů., Hvězdy a život . Tyto podmínky jsou vysoce nepravděpodobné, ale pokud má počet možností sklon k nekonečnu, musí tyto podmínky někde nutně splňovat. Tato hypotéza vzbuzuje ve vědecké komunitě vášnivou debatu .
Ačkoli byly v 80. letech vyvinuty různé nezávislé formulace ( viz níže), výsledky duální struny získané v 90. letech umožnily uvažovat o tom, že všechny dříve vytvořené teorie jsou samy o sobě jen různými limity. Fundamentálnější jediná teorie, zvaná M-theory , mikroskopické přípravek je neznámý, ale efektivní teorie nízkoenergetických je maximální supergravity v jedenácti rozměrech, jeden více než je kritický rozměr z superstring teorie .
Jedním z hlavních experimentálních faktů pozorovaných v posledních letech je, že se vesmír rychle rozpíná . Pro vysvětlení tohoto zrychlení byla předpokládána temná energie neznámé povahy. Tuto temnou energii lze také považovat za pozitivní kosmologickou konstantu . Teorie strun nepředpovídala zrychlení rozpínání vesmíru, protože tato teorie přirozeně vede k vesmírům se zápornou nebo nulovou kosmologickou konstantou. Učinit kompatibilitu teorie strun s pozitivní konstantou se ukázalo jako velmi obtížné a bylo to provedeno až v roce 2003 skupinou na Stanfordské univerzitě. Jedním z důsledků této práce je však to, že existuje asi 10⁵⁰⁰ teorií možných řetězců, které dávají spíše teorie „krajiny“ („ krajiny “) než jedinou teorii. Existence tohoto enormního množství různých teorií - které mají stejnou teoretickou platnost - vede přímo k hypotéze multivesmíru , dokonce k antropickému principu , který mnoho fyziků trápí nebo intrikuje.
Joseph Polchinski však poznamenává, že Steven Weinberg předpověděl v 80. letech nenulovou kosmologickou konstantu hypotézou o multivesmíru , což je přesně možným důsledkem teorie strun.
Podle Petera Woita teorie strun „se nemůže ani mýlit“. Krajina teorií skutečně umožňuje upravit volné konstanty teorie strun tak, aby vyhovovaly prakticky jakémukoli známému, či známému pozorování. Například pokud LHC nedetekuje částice superpartnerů , bude možné upravit teorii tak, aby byly tyto částice těžší, aby se vysvětlila jejich nedetekce. Tato flexibilita také velmi ztěžuje předvídání fyzikálních jevů, které mohou testovat a ověřovat teorii strun. Kromě toho není známo, zda bude možné provádět experimenty na dalších dimenzích vesmíru.
Navzdory všestrannosti a dokonce všestrannosti teorie strun by ji bylo možné vyvrátit pomocí gravitačního podpisu řetězců, který bude brzy schopna testovat observatoř gravitačních vln pomocí laserové interferometrie .
Teorie strun je v současné době popisována jako semiklasická teorie . To znamená, že vzhledem k pevnému prostředí (geometrie pozadí plus možná hmota) umožňuje formulace jako model sigma najít a studovat excitace řetězců pouze v blízkosti této geometrie. Analogem v kvantové mechanice této situace je studium atomu vodíku koupeného v elektrickém poli pozadí (což umožňuje například studovat spontánní, ale nestimulovanou emisi ).
Je však třeba poznamenat několik bodů:
První dva body ukazují, že teorie je dokonale kompatibilní s obecnou relativitou. Druhý bod je analogický v případě atomu vodíku s potřebou pole pozadí uspokojit Maxwellovy rovnice. Abychom se osvobodili od těchto omezení na životní prostředí a analogicky s druhou kvantací v případě částic, která vede k teorii kvantového pole , je žádoucí mít teorii strunového pole, která odpovídá kvantizaci těchto funkcí vln strun . Tato formulace existuje, ale kvůli technickým komplikacím v důsledku rozšířené povahy řetězců je hledání přesných řešení jejích rovnic matematicky extrémně obtížné, a proto je její dopad na vývoj teorie strun stále omezený ve srovnání s dopadem kvantové teorie pole v částicích fyzika.
Na závěr si povšimněme, že ve smyčce kvantová gravitace, která je dalším kandidátem na kvantový popis gravitace (která však neumožňuje začlenění hmotných polí), je formulace teorie výslovně nezávislá na základní geometrii, ale ještě není prokázal, že respektuje Lorentzovu invarianci .
Teorie strun je často prezentována jako řešení problému „ nekonečných veličin “, které se objevují v teorii kvantového pole nebo v obecné relativitě . To by byl velký úspěch pro teorii strun, kdyby byl poskytnut matematický důkaz; přesnost jeho demonstrace je proto důležitou otázkou. Časný důkaz byl vydáván v roce 1992 od Stanley Mandelštama , že některé typy divergence se neobjevují v teorii strun rovnic. Jelikož to však sám Mandelstam uděluje v dopise Carlovi Rovellimu , není vyloučeno, že se mohou objevit i jiné typy nekonečen.
V roce 2001 , Eric d'Høker a Duong H. Phong prokázáno, že jakákoliv forma nekonečna nebylo možné až do řádu 2 sbližování.
V roce 2004 se Nathanovi Berkovitsovi podařilo prokázat, že jakákoli forma nekonečna je nemožná, a to při jakémkoli pořadí aproximace, ale přeformulováním teorie strun, zejména přidáním určitého počtu dalších předpokladů .
Navzdory nedostatku formálních důkazů jen málo teoretiků zpochybňuje konečnost teorie strun. Někteří, například Lee Smolin, se však domnívají, že potíže s dosažením konečného důkazu svědčí o zásadním problému na této úrovni.
Vytvoření mikro černé díry v urychlovači částic, pokud se provádí, by poskytlo mnoho cest k ověření nebo zneplatnění teorie.