1. отговор на всичко теория на струните Надя Кискинова наоп, Стара Загора



Дата18.06.2018
Размер127.76 Kb.
#74115
1.
ОТГОВОР НА ВСИЧКО
Теория на струните
Надя Кискинова

НАОП, Стара Загора
2.

СТАНДАРТЕН МОДЕЛ

Стандартният модел приема основните елементарните частици

като точки без вътрешна структура.

Това не пречи дотук на обединението на

слабото, силното и електромагнитно взаимодействия
3.

Всички вселенски структури обаче, са подчинени на гравитацията.


4.

Самата еволюция на Вселената е немислима без гравитацията, а тя продължава да “страни” от обединение с останалите три основни взаимодействия. Макар че днес гравитационното взаимодействие е невъобразимо слабо в сравнение със силите, които вече са обединение на микрониво, дали това винаги е било така?


5.

Счита се, че гравитацията първа е нарушила симетрията във Вселената, отделяйки се преди настъпването на инфлационния момент на 10*/-35/-та част от първата секунда на Вселената – тогава, когато самата Вселена е била всъщност елементарна частица.


6. ЗМИЯТА НА ГЛАШОУ

Ето защо, ако успеем да си отговорим какво всъщност представляват елементарните частици, бихме могли да стигнем до идеята за Великото обединение на 4-те взаимодействия – така, както е било в суперсиметричното състояние на първичната Вселена-частица.


7.

ОСНОВНИ ПОЛОЖЕНИЯ НА ТЕОРИЯ НА СТРУНИТЕ

Предистория:
През 1968 г. младият физик теоретик, работещ в ЦЕРН – европейския ускорител в Женева, Швейцария,

Габриеле Венециано се опитва да разбере някои експериментално наблюдавани свойства на силното взаимодействие.

Единственият засега успешен опит за обединение на взаимодействията е Струнната теория. Тя засяга самата представа за елементарните частици като частици и ги разглежда като нещо друго...



8.

За голяма своя изненада Венециано забелязва ,че една математическа формула на Леонард Ойлер отпреди 200 години
т.н. ойлерова бета-функция,
описва с лекота различни свойства на подложени на силно взаимодействие частици.

Това дало мощен тласък в по-нататъшните изследвания, но всъщност никой не разбирал защо именно


бета-функцията има такова значение.

9.

Това става ясно през 1970 г., когато
Йоичиро Намбу
от университета в Чикаго,
Холсен Нилсен
от института “Нилс Бор” и
Ленард Саскинд
от университета “Станфорд”,
разкриват физиката
зад формулата на Ойлер.

10.

Тези физици показват, че ако елементарните частици се представят като

малки трептящи едномерни струни,

техните взаимодействия в атомното ядро точно ще се описват с

бета-функцията на Ойлер.
Ако тези струни са достатъчно малки, те се проявяват като точкови частици,

което е в съответствие с експерименталните данни.

Намбу, Нилсен и Саскинд доказват, че ако силното взаимодействие между две частици се дължи на миниатюрно, извънредно тънко влакно, донякъде приличащо на ластик, което свързва частиците, тогава квантовите процеси, върху които Венециано и други размишляват, ще се описват математически от формулата на Ойлер.


11.

Носителят на Нобелова награда по физика за 2008

проф. Йоичиро Намбу


от Института „Ферми” в Чикаго

е


един от основоположниците на

Струнната теория

Проф. Намбу открива механизма на спонтанното нарушение на симетрията в субатомните системи.

Понастоящем се предполага, че друг вид спонтанно нарушение, т.н. Хигс механизъм, е нарушил началната симетрия между силите и е снабдило частиците с маса. Пътят към това откритие е прокаран пак от Йоичиро Намбу, който пръв въвежда спонтанното нарушение на симетрията във физиката на елементарните частици през 1960 г.

Намбу има заслуги и за теоретичното описание на свръхпроводимостта, в което се използва също нарушението на симетрията.


12. СТРУНИТЕ

Струната е миниатюрна трептяща нишка от енергия, която няма дебелина, а

само дължина.

Струните са едномерни.

Те са милиард милиарда пъти по-малки от

атомното ядро 10*/-34/м.

Струните са всъщност най-малкият

градивен обект на Вселената.

Това обаче предстои да се докаже.


Всъщност, имат ли градивни елементи пространството и времето? Не е задължително. Възможно е да са безструктурни. Но е възможно и да са нещо като решетка или мрежа. А дали пространството и времето при мащаби под планковите не се превръщат в нещо още по-фундаментално, за което понятия като дължина и продължителност нямат смисъл? Същото се получава, когато определяме температурата на водата на макрониво, но когато стигнем до молекулите вода, това понятие няма смисъл. Тук вече говорим за кинетична енергия на молекулите!
13.

В началото на 70-те години високоенергийни ускорители показват, че струнният модел дава предвиждания, които са в противоречие с експеримента, а в същото време се разработва квантовата хромодинамика,


която дава блестящи резултати.

Струнната теория е отхвърлена като ненужна и твърде екзотична.


14.

Някои физици обаче продължават да се занимават със Струнната теория.


Като Шуорц, според който

математическата структура на
Теорията на струните е толкова красива и има
толкова чудни свойства, че
трябва да води към нещо дълбоко.”

15.

ВСЕЛЕНАТА

СИМФОНИЯ


НА СТРУНЕН ОРКЕСТЪР

Красотата на Струнната теория е в това, че може да се оприличи на музика.


16.

Музиката осигурява метафората, с чиято помощ сме в състояние да разберем Вселената както на


микро-, така и на макрониво.

“Музиката е скритото математическо упражнение на душата, която не осъзнава, че изчислява.”
Готфрид Лайбниц
17.

Аналогията между миниатюрните едномерни струни и струните на цигулка е пълна.


18.

Както струните на цигулка трептят по различен начин


и произвеждат различни звуци,
така трептенето на струните в микросвета произвежда

различни елементарни частици.

Ако дръпнем струната, трептенето й ще се промени


и неутронът може да се превърне в неутрино.

Дърпаме я отново и


вместо неутрино получаваме кварк...
19.

Частиците са “нотите”.

Нито една нота обаче не е фундаментална.

Не са фундаментални електроните, кварките –

фундаментална е струната, която ги

възпроизвежда с различните си начини на трептене!


20.

През 70-те години на ХХ век малцина са тези, които продължават да се занимават със Струнната теория.

Цели 10 години учените я игнорират

и смятат, че е

красиво губене на време.
21.

Повратът идва през 1984 година, когато


най-после било осъзнато, че
идеята за елементарните частици като струни не е опит за обяснение само на микросвета.

Струнната теория е квантова теория, която включва по естествен начин гравитацията.
22.

Защо Теорията на струните обединява по естествен начин
квантовата механика и ОТО?

Как Теорията на струните успокоява неистовите флуктуации на


пространство-времето на свръхмикроскопични разстояния?

Именно представата за елементарните частици не като точки, а трептящи струни с планкови размери е разковничето.


23.


На микрониво Вселената е
постоянно бълбукащо хаотично място.
Колкото повече увеличаваме мащаба, толкова по-големи са флуктуациите според
Принципа на неопределеността.

Гравитоните са носители на гравитационното взаимодействие.


Според Теорията на струните
всеки гравитон е трептяща струна
с планкова дължина 10*/-34/м.
24.

Тъй като гравитоните са градивните елементи на гравитационното поле, безсмислено е да се говори за поведението на гравитационното поле при мащаби, по-малки от планковата дължина.

Когато определяме температурата на водата на макрониво, но когато стигнем до молекулите вода, това понятие няма смисъл. Тук вече говорим за кинетична енергия на молекулите!


25.

Това е естествен предпазен клапан в


Теорията на струните.
При мащаби по-малки от
планковата дължина и време
квантовата неопределеност така усуква и изкривява тъканта на мирозданието, че
обичайните понятия за пространство и време
вече не са приложими:

изводите и понятията, подходящи за едни мащаби, не е задължително да са приложими за всички мащаби.

По-нататъшното увеличение на мащаба е безсмислено.
26.

ОТО обаче, разглеждайки градивните обекти като точки слиза под планковите размери и се среща с абсурда.

Поставяйки граница за най-малкото, до което можем да стигнем, Теорията на струните ограничава доколко буйни може да са квантовите колебания на гравитационното поле и тази граница е точно толкова голяма, колкото да се избегне катастрофалния сблъсък между квантовата механика и ОТО.


27.

Периодът от 1984 до 1986 г. става известен

като първа революция на суперструните.

През тези 3 години

физици от цял свят

написват над 1000 труда върху

Теорията на струните,

в които се доказва,

че Стандартният модел

е естествено следствие от тази теория.

28.


В момента, когато се сблъскаш с

Теорията на струните и осъзнаеш, че

почти всички основни открития

във физиката

през последните 100 години

произлизат,

и при това с такава елегантност,

от толкова проста отправна точка,

разбираш, че тази

изключително завладяваща теория е

ненадмината по рода си.”
Майкъл Грийн
29.

1985 година
ПЪРВА РЕВОЛЮЦИЯ
В ТЕОРИЯТА НА СТРУНИТЕ

Приемайки екзотичните допълнителни пространствени измерения за необходимост, физиците ентусиазирано се нахвърлят в новата благодатна област и “възкресяват” цели 5 пъти Теорията на струните:

Към този момент има 5 струнни теории, всяка с претенции да смени етикета си от

“теория на нищото”

на

“теория на всичкото”.



Пространствените измерения в тези струнни теории са 9, 10-то е времето.
30.

ИЗМЕРЕНИЯТА

Струнната теория оглажда, преодолява хаотичното поведение на микрониво, създава обща рамка, в която може да се вмести и гравитацията,

на цената на
допълнителните измерения.
31.

ИЗМЕРЕНИЯТА
32.

Идеята за 5-то пространствено измерение е на математика Теодор Калуца и
датира още от 1919 година.

Физикът Феликс Клайн доказва, че допълнителното пространствено измерение е


кръгово и е с плаковски размери.
Айнщайн приложил т.н. апарат на Калуца-Клайн към уравненията на Общата теория на относителността и се изненадал:
5-тото измерение обединявало ОТО с електромагнетизма на Максуел.
Шокиран, Айнщайн решил, че това е много хубаво, за да бъде истина!


33.

1984 година

Филип Канделас от Тексаския университет


Гари Хоровиц и Андрю Строминджър
от Калифорнийския университет,
Едуард Уитън от Принстън
доказват, че симетрията на струната може да доведе до Стандартния модел, но са нужни поне 6 допълнителни пространствени измерения, които могат да се опишат математически с формите на Калаби-Яу.

34.

В зелено са дадени 6-те пространствени измерения на Калаби-Яу, около които са увити струните.


35.

Формите, наречени на имената на двамата математици Еугенио Калаби и Шинтун Яу, открити далеч преди да се разбере тяхната значимост за Теорията на струните са


6-мерни.
Като се вземат предвид още 3-те пространствени измерения, които са ни познати и времето:
ето че се получава един 10-мерен свят, който на микрониво представлява богата трептяща бродерия
36.

Така Струнната теория дава прост отговор защо Стандартният модел има 3 семейства частици.

Топологията на това пространство определя кварките и лептоните за основни елементарни частици в нашия 4-мерен макросвят.
37.

1995 година
ВТОРА РЕВОЛЮЦИЯ
В ТЕОРИЯТА НА СТРУНИТЕ
Едуард Уитън


5-те струнни теории са части от

една 11-мерна М-теория

Едно от новите качества на М-теорията е в това, че тя въвежда не само струни, но и цяло изобилие от мембрани с различни измерения.

В тази картина частиците-точки са 0-брани, защото са безкрайно малки и нямат измерения;

1-брани е струната, - едномерен обект, дефиниран само с дължината си;

Мембраната е 2-брана, закщото е нещо като повърхността на топка, двумерна, дефинирана само с дължината и ширината си; Топката може да се носи в тримерно пространство, но повърхността й е 2-мерна.

Вселената трябва да е 3-брана – тримерен обект с дължина, ширина и височина.


38.

Всъщност може да се покаже, че съществуват 5 начина да се свие 11-мерната /10 пространствени и 1 времево измерение/ М-теория до 10-мерна и така да се получат 5-те 10-мерни /9 пространствени и 1 времево измерение/ струнни теории.

Представете си, че стоите на някакво възвишение и гледате към равнинана под вас. Ако 5 села от равнината изглеждат съвсем отделни, то при поглед от планината, виждате пътищата и пътеките, свързващи селата и придобивате една обща картина.

По същия начин, ако погледнем надолу от 11-измерение към 10-тото, ще видим, че безумната шарения на 5-те струнни теории не е нищо друго, освен различни кръпки на 11-тото измерение.

Къде е убягващото 10-то пространствено измерение на 5-те струнни теории? – За разлика от описаните 6 миниатюрни и 3 обикновени пространствени измерения на микрониво – общо 9, подобно на погледа от планината, 10-мерното пространствено измерение на М-теорията е твърде голямо, огромно и безкрайно като самата Вселена.
39.

От гледна точка на М-теорията, възможно е нашата Вселена да е само една част от много по-огромен свят – Мултивселената и едва ли тя е сама в нея.Вероятно съществуват безброй вселени с различни измерения. Само от погледа на “11-мерен реещ се сокол в небето на Мултивселената”, може да се обхване вселенското многообразие и там някъде – нашата 4-мерна Вселена!


40.

ИЗТИЧАЩО-ВТИЧАЩА СЕ ГРАВИТАЦИЯ

Скоро след като Уитън през 1995 г. излага М-теорията, Джо Полчински от Калифорнийския университет в Санта Барбара излага интересна особеност на струните – при определени ситуации краищата на отворените струни са свободни да се движат , но само до определени форми или контури в пространството, подобно на мънисто, което може да се движи по корда, но само като следва контурите на кордата. Всъщност, към какво са захванати краищата на отворените струни? – отговорът е - към р-брана или брана с измерения от 1 до 10. Краищата на отворените струни могат да се движат свободно по и в р-браната, но без да я напущат.Т.е. Браните са “най-лепкавите” неща, които можем да си представим.

Лиза Рандъл от Харвард приема, че нашата Вселена е 4-мерна брана или 3-брана и че тази брана си има своя собствена гравитация, описвана със закона на Нютон. Тази собствена гравитация на Вселената 3-брана не позволява на гравитоните да отлитат свободно в 5-тото измерение. Гравитацията се разрежда и отслабва, когато напусне 3-браната и попадне в 5-то измерение.

Лиза Радъл предлага възможното съществуване на друга мембрана, паралелна с нашата.


41.

ПАРАЛЕЛНИ СВЕТОВЕ

Представете си, че над нашата Вселена се носи друг паралелен свят. Той е невидим за нас, защото фотоните – носителите на електромагнитно излъчване носят информация от нашата Вселена, те са “полепнали” по нашата 3-брана и се плъзгат по повърхността й с максимална за нашия свят скорост от 300 000 км/сек. Може обаче да се изчисли неуловимото въздействие на гравитацията между двете паралелни мембрани – на нашата и паралелната вселени и то така, че да може да се обясни малката сила на гравитацията в сравнение с другите взаимодействия в нашата Вселена. Всъщност, гравитацията е силна, колкото останалите сили, но се разрежда, защото част от нея изтича в пространство с повече измерения! А дали гравитацията не се втича от друг свят?!


42.


Най-вълнуващото в това предположение, е че то и сега може да бъде доказано експериментално!

Енергията, при която квантовите гравитационни ефекти стават измерими може да не е енергията на Планк или 10*19 милиарда електронволта, а само трилиони електронволта. Това означава, че в близките 10-на години Големият адронен колайдер в Женева може да ги регистрира!


43.

Мембраните дават възможен отговор и на загадката на тъмната материя.

Представете си, че над нашата Вселена има паралелен невидим свят.Тъй като гравитацията е изкривяване на хиперпространството, тя може да се прехвърля между вселените, да огъне техните мембрани. В нашата Вселена долавяме многократно по-силна гравитация около дадена галактика или куп от галактики, защото върху тях се отразява гравитацията на невидимия свят!

Дали наистина тъмната материя не е отражение на паралелната вселена?!


44.

Макар че може би е рано да се привлича М-теорията към космологията, вече съществуват опити да се обясни инфлацията в ранната Вселена.

Робърт Бранденбергер и Кумрун Вафа изказват предположението, че това може да се дължи на особената геометрията на струните. Според тях вселената е започвала съществуването си напълно симетрична и всички по-висши измерения са били свити здраво в планкови размери. При 3 или 4 измерения, обаче струните и антиструните могат да се сблъскат с по-голяма степен на вероятност, отколкото в светове с повече измерения. Щом настъпи такъв сблъсък, струните се разплитат и измеренията започват рязко да се разширяват. Ето го и Големият взрив!

В М-теорията съществуват и други възможности: вселените могат да се пъпкуват и сблъскват. От искрите на сблъсъците на успоредни мембрани се зараждат нови вселени. Това допущане на Пол Стейнхард от Принстън, Бърт Оврът от Пенсилванския университет и Нийл Турок от Кембридж се нарича екпиротична вселена /от старогръцки – възникнала от пожар/. В нея допълнителните измерения могат да са големи и безкрайни. Екипът започна моделирането с две плоски, еднородни и паралелни 3-брани. Отначало те съществуват като студени и празни вселени, но гравитацията постепенно започва да ги привлича, докато вселените не се сблъскат и огромната кинетична енергия се преобразува в материята и лъчението на нашата Вселена. Силата на сблъсъка разделя двете вселени. Когато мембраните се отделят една от друга, настъпва изстиването им и разширението, продължаващи трилиони години. Възможна е цикличност. А дали наблюдаващото се ускорено разширение на Вселената не сочи предстоящ нов сблъсък?

Някои наричат това “Голямото размазване” вместо теория на Големия взрив!
45.

Да се върнем в началото - към идеите на Венециано.

Венециано има своя космологична идея за вселена преди Големия взрив, която използва струнната теория. Според нея Вселената е започнала съществуването си като черна дупка. Ако искаме да разберем каква е вътрешността на черната дупка, можем просто да се огледаме!

Вселената всъщност е безкрайно стара. Гравитацията е започнала да създава струпвания, които се уплътнявали, около тях възниквал хоризонт на събитията и те били отделяни едно от друго като черни дупки. Свиването продължава вътре под всеки хоризонт на събитията, докато се стигне до планковски размери. Тогава идва Струнната теория или мини-черната дупка експлоадира, както казва Хокинг, което е Голям взрив и начало на вселена.

Всъщност, ако една черна дупка има масата на нашата Вселена, размерът й би трябвало да е като размера на Вселената, а плътността – твърде ниска и сравнима с наблюдаемата сега!
46.

Остава открит въпросът: Каква е ролята на съзнанието и какво всъщност представлява то? Нуждае ли се Вселената от наблюдател и доколко позволява на този наблюдател да вникне в същността й?


47. ИЗТОЧНИЦИ

  • Елегантната Вселена”, Брайън Грийн

  • Тъканта на Космоса”, Брайън Грийн

  • Паралелни светове”, Мичио






Каталог: sites -> default -> files -> site-documents -> think-about
think-about -> Космически микровълнов фон весела Георгиева, гпче „Ромен Ролан”
think-about -> 1. взаимодействията преди Големия взрив Надя Кискинова наоп, Стара Загора
think-about -> 1. в света на елементарното надя Кискинова наоп, Стара Загора
think-about -> 1. големият взрив надя Кискинова наоп “Юрий Гагарин”
think-about -> 1. черни дупки теория и реалност Стивън Хокинг излъчване и еволюция на черните дупки
think-about -> 1. тъмната материя във вселената надя Кискинова наоп стара Загора
think-about -> Космически микровълнов фон весела Георгиева, гпче „Ромен Ролан”
think-about -> 1. големият взрив надя Кискинова наоп “Юрий Гагарин”


Сподели с приятели:




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница