Главная страница
qrcode

Губсер. Маленькая книга о большой теории струн. String theory


Скачать 10.66 Mb.
НазваниеString theory
АнкорГубсер. Маленькая книга о большой теории струн.pdf
Дата16.12.2017
Размер10.66 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаGubser_Malenkaya_kniga_o_bolshoy_teorii_strun.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипДокументы
#51944
страница1 из 10
Каталогid124778002

С этим файлом связано 17 файл(ов). Среди них: Bryus_Gud-Mozg_priruchyonny.pdf, 5.gif, Russko-anglysky_slovar_dlya_gidov-perevodchiko.pdf, Gubser_Malenkaya_kniga_o_bolshoy_teorii_strun.pdf и ещё 7 файл(а).
Показать все связанные файлы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

the
LITTLEBOOK
of
STRING THEORY
Steven S. Gubser
PRJNCEТON UNJVERSПY PRESS PR!NCETON AND OXFORD
2

ББК 22.315
УДК 524
Г93
Габсер С.
Г93 Маленькая книга о большой теории струн. — СПб.: Питер, 2015. — 208 с.: ил.—
(Серия «New Science»).
ISBN 978-5-496-01237-9
Теорию струи часто называют «теорией всего», потому что ее цель — описать все фундаментальные силы взаимодействия во
Вселенной, включив в себя гравитацию, кванто­
вую механику и теорию относительности. Эта революционная концепция представляет новое понимание пространства и времени, она стремится объяснить связь таких феноменов, как черные дыры и кварк-глюонная плазма, дополнительные измерения и квантовые флук­
туации.
Несмотря на сложность рассматриваемой темы, профессор Принстонского универси- тега Стивен Габсер предлагает емкое, доступное и занимательное введение в эту одну из наиболее обсуждаемых сегодня областей физики. С минимумом математики, используя интересные аналогии, автор объясняет суть суперсимметрии, дуальности, искривления пространства-времени так, что это будет понятно любому читателю с багажом знаний сред­
ней школы.
Пока положения теории струн окончательно не доказаны, однако и те тайны, которые нам уже приоткрылись, позволяют восхититься стройной гармонией мироздания и обсуж­
дать практическое применение будущих открытий в физике высоких энергий.
12
+
(Для детей старше 12 лет. В соответствии с Федеральным законом от 29 декабря
2010 г. № 436-ФЗ.)
ББК 22315
УДК 524
Праю на издание получены по соглашения с Princeton University Press, Все права защищены. Никакая часть
данной
книги
не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения вла
дельце в авторских прав.
Информация, содержащаяся в данной книге, получена на источников, рассматриваемых издательством как
надежные.
Тем
не менее, имея 9 виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может
гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений к не несет ответственности за возмож­
ные ошибки, связанные
с
использованием книги.
ISBN 978-0691142890 англ. © Princeton University Press
ISBN 978-5-496-01237-9
© Перевод на русский язык ООО Издательство «Питера», 2015
© Издание на русском языке, оформление ООО Издательство
«
Питер», 2015
4

СОДЕРЖАНИЕ
Глава 1. Энергия ..................................................................................................................................... 13
Длина, масса, время и скорость ................................................................................................................. 13
Е = mc
2 15
Глава 2. Квантовая механика ............................................................................................................. 19
Неопределенность ...................................................................................................................................... 20
Аrом ............................................................................................................................................................. 22
Фоrон ........................................................................................................................................................... 26
Глава 3. Гравитация и черные дыры ................................................................................................ 30
Черные дь_rры ............................................................................................................................................... 31
Общая теория относительности ................................................................................................................ 36
Черные дь_rры не совсем черные ................................................................................................................. 3 8
Глава 4. Теория струн ............................................................................................................................ 41
Гравитация против кванIОВОЙ механики ....................................................................................................... 42
Струны в пространстве-времени ............................................................................................................... 46
Пространство-время из струн ................................................................................................................... 52
Глава 5. Браны ........................................................................................................................................ 56
Вторая суперструнная революция ............................................................................................................. 56
D-браны и симме�рии .................................................................................................................................... 59
Браны и черные дь_rры .................................................................................................................................. 70
БранывМ-теориииrраниць1 мира ................................................................................................................ 75
Глава 6. Дуальности в теории струн ................................................................................................. 78
Размерностью больше, размерностью меньше ... Да кто их считал! ....................................................... 82
Гравитация и калибровочная теория ........................................................................................................ 86
Глава 7 Суперсимметрия и Большой адронный коллайдер ...................................................... 91
С1JХ!ННая математика суперсимме�рии ......................................................................................................... 93
Теория всего? Возможно ............................................................................................................................ 97
Частицы, частицы, частицы ... ................................................................................................................ 102
Глава 8. Тяжелые ионы и пятое измерение ................................................................................... 108
Самое горячее место на Земле ................................................................................................................. 109
Черные дь_rры в пятимерном пространстве ............................................................................................. 114
Эпилог ..................................................................................................................................................... 122 5

Введение
Теория струн - это магия. Она претендует на статус Теории Всего, но при этом не может быть проверена экспериментально. И в этом ее изотеричность. Она оперирует дополнительными измерениями, квантовыми флуктуациями и черными дырами, но неужели именно таков наш мир? Почему он не может быть устроен проще?
Теория струн - это магия. Практикующие ее чародеи (и я - один из них) признают, что и сами не понимают эту теорию. Но выполненные с ее помощью расчеты дают неожи­
данно красивые и согласованные результаты. А это означает, что нам придется продолжить ее изучение. Неужели реальный мир не может быть настолько красивым и упорядоченным?
Неужели открывшаяся нам истина не соответствует реальности?
Теория струн - это магия. Она поглотила многих талантливых аспирантов, оторвав их от других увлекательных и, несомненно, более полезных тем, имеющих реальное практическое применение, например от сверхпроводимости. Как любая мистика, она притягивает внимание СМИ. Теория струн стала объектом проклятий и анафем приверженцев классической парадигмы из-за невозможности экспериментальной проверки ее предсказаний.
И в чем же, собственно, заключается магия? Если говорить коротко, то идея теории струн в том, что фундаментальными кирпичиками материи являются не элементарные частицы, а струны.
Струны похожи на маленькие резиновые ниточки, очень тонкие и невероятно упругие. Электрон, например, представляет собой струну, вращающуюся и вибрирующую в столь малом масштабе, что обнаружить эту вибрацию сложно даже при помощи самых современных ускорителей элементарных частиц. В одних вариантах теории струн электрон описывается как крошечное замкнутое колечко, в других - как отрезок струны, имеющей два свободных конца.
Давайте же совершим небольшой экскурс в историю возникновения теории струн.
Часто теорию струн описывают как теорию, изобретенную «задом наперед». «Задом наперед» означает, что сначала у ученых были отдельные фрагменты теории, которые давали блестящие результаты, но никто не мог сказать, стоит ли за этими фрагментами что-либо более глубокое и фундаментальное.
Вначале была ... формула. Красивое уравнение, выведенное в 1968 году; оно описывало столкновения пионов в виде взаимодействия струн. Но в то время еще никто толком не понимал, что такое струны и что с ними делать. Такой вот математический курьез: есть уравнение, которое имеет осмысленные решения, но при этом никто не понимает его смысла. Понимание пришло позднее, когда обнаружилось, что теория струн включает
6
гравитацию в том виде, в каком она описывается Общей теорией относительности.
В 1970-х и в начале 1980-х годов теория струн балансировала на грани забвения. Она не выглядела пригодной для своего главного предназначения: описания ядерных взаимодействий. При попытке подружить теорию струн с квантовой механикой обнаружился ряд несоответствий, называемых аномалиями. Например, при описании частиц, похожих на нейтрино, но обладающих электрическим зарядом, теория предсказывала, что определенные типы гравитационных полей способны спонтанно рождать электрические заряды. А это очень плохо, потому что квантовая механика требует, чтобы во Вселенной сохранялся строгий баланс между общим числом положительных и отрицательных зарядов. Прорыв произошел в 1984 году, когда был открыт так называемый принцип устранения аномалий.
После этого теория струн стала всерьез рассматриваться как кандидат на полное описание
Вселенной.
Этот сугубо технический прорыв ознаменовал начало первой суперструнной революции - периода бурной деятельности и потрясающих открытий, которые, однако, не позволили достичь первоначальной цели: создания Общей Теории Всего. Когда это все начиналось, я был ребенком и жил неподалеку от Центра теоретической физики в Аспене - очага этой деятельности. Вокруг меня множество людей постоянно бормотали что-то про теорию суперструн и про возможность ее проверки на сверхпроводниковом суперколлайдере, и я был просто суперочарован всеми этими супервещами.
Итак: суперструны - это струны, обладающие особыми суперсимметричными свойствами. А что такое суперсимметрия? Я постараюсь объяснить это позже, а сейчас позвольте мне сделать пару частных замечаний. Во-первых, суперсимметрия имеет отношение к частицам с различными спинами. Спин частицы - это момент импульса, определяющий ее вращение. Частица ведет себя подобно вертящемуся теннисному мячу после удара «топспин». Только, в отличие от теннисного мяча, частица не может перестать
«вращаться». Во-вторых, честно признаться, из всех вариантов струнных теорий мы лучше всего понимаем суперсимметричную. Несуперсимметричные теории требуют двадцати шести измерений, в то время как суперсимметричные обходятся всего десятью. Конечно, кое-кто заявит, что и десять измерений - «это уже слишком», поскольку в повседневной жизни мы привыкли к трем пространственным измерениям и одному временному. Так вот, часть усилий по втискиванию теории струн в реальный мир направлена именно на то, чтобы избавиться от лишних измерений или найти им полезное применение.
Оставшуюся часть 1980-х струнные теоретики провели в неистовой гонке, на финише которой маячил призрак Общей Теории Всего. Но они еще и представления не имели о том, что готовит им теория струн. А дело шло к тому, что струны - это еще не вся теория.
7

Помимо струн теория требовала существования бран: объектов, имеющих протяженность в нескольких измерениях. Простейшая брана - это мембрана. Подобно коже барабана; мембрана имеет протяженность в двух независимых измерениях. И, подобно коже барабана, она может вибрировать. Существуют также 3-браны, заполняющие наше привычное трехмерное пространство и вибрирующие в дополнительных измерениях. Но могут существовать и 4-браны, и 5-браны, и так далее, вплоть до 9-бран. Все это начинает вы­
глядеть слишком неудобоваримым, но имеются серьезные основания полагать, что мы не сможем понять смысл теории струн без включения в нее всех этих бран. Одним из таких оснований является дуальность теории струн. Дуальность - это отношение (математики скажут: реляция) между двумя на первый взгляд различными объектами или двумя различными точками зрения. Простейшим примером дуальности является описание шахматной доски. Кто-то скажет, что шахматная доска белая с черными клетками, а кто-то
- что она черная с белыми клетками. Обе точки зрения адекватно описывают вид шахматной доски. Они различны, но соотносятся друг с другом через операцию замены белого на черное.
В середине 1990-х мы стали свидетелями второй суперструнной революции, основанной на складывающемся понимании дуальностей и роли бран. И снова усилия были направлены на попытки втиснуть это новое понимание в рамки теории, которая могла бы претендовать на звание Общей Теории Всего, где слово «всего» включает все аспекты фундаментальной физики, которые мы могли бы понять и проверить экспериментом.
Гравитация является частью фундаментальной физики. Так же как и электромагнитные и ядерные взаимодействия. Так же как и строение и поведение частиц: электронов, фотонов, протонов и нейтронов, из которых состоят атомы. Пока что построения теории струн позволяют воспроизводить лишь общие наброски того, что мы знаем, и существуют определенные трудности, не позволяющие говорить о ней как о полностью жизнеспособной теории. Но парадокс в том, что чем больше мы узнаем о теории струн, тем больше мы убеждаемся в том, что мы ничего не знаем. Судя по всему, назрела необходимость в третьей суперструнной революции. Но пока она не предвидится. Напротив, струнные теоретики пытаются уже на существующем уровне развития и понимания теории делать частные предположения о следствиях, которые могут быть проверены в экспериментах: как нынешних, так и грядущих. Наиболее значительные усилия направлены на попытки описать с помощью теории струн высокоэнергетические столкновения протонов и тяжелых ионов.
Мы надеемся, что это описание, возможно, поможет понять идею суперсимметрии, или роль дополнительных измерений, или смысл горизонта черной дыры, а может быть, и все вышеперечисленное разом.
8

Теперь, когда мы добрались в нашем историческом путешествии до сегодняшних дней, позвольте сделать отступление и рассказать о двух типах столкновений, упомянутых ранее.
Благодаря циклопической экспериментальной установке, построенной недалеко от
Женевы, известной под именем Большого адронного коллайдера (БАК), столкновения
протонов еще долго будут оставаться в главном фокусе физики высоких энергий. БАК ускоряет летящие по кругу пучки протонов и сталкивает их лоб в лоб со скоростью, близкой к скорости света. Этот тип столкновений хаотичный и неуправляемый. Экспериментаторы пытаются зафиксировать редкие события, приводящие к рождению очень массивных нестабильных частиц. Одной из таких частиц является знаменитый бозон Хиггса, отвечающий, в частности, за наличие массы у электрона. Суперсимметрия предсказывает существование и многих других частиц, которые (если будут обнаружены) послужат наиболее убедительным свидетельством в пользу того, что теория струн - это правильный путь. Существует также весьма отдаленная перспектива, что протон-протонные столкновения породят микроскопические черные дыры, последствия распада которых можно непосредственно наблюдать.
При столкновениях тяжелых ионов используются «ободранные» до самого ядра от всех электронов атомы золота и свинца, разгоняемые в том же ускорителе, что и протоны.
Столкновения тяжелых ионов порождают еще больший хаос, чем столкновения протонов.
При этом считается, что протоны и нейтроны, составляющие ядра, «расплавляются» в составляющие их глюоны и кварки. Образовавшаяся субстанция из кварков и глюонов расширяется, охлаждается и вновь «конденсируется» в частицы, которые фиксируются детекторами. Эта субстанция называется кварк-глюонной плазмой. Теория струн усматривает связь кварк-глюонной плазмы с черными дырами. Только дуальность черной дыры и кварк­
глюонной плазмы проявляется не в привычном четырехмерном пространстве-времени, а в искривленном пятимерном пространстве. Следует подчеркнуть, что связь теории струн с реальным миром чисто спекулятивная. Супер симметрия может просто отсутствовать в нем, и кварк-глюонная плазма, создаваемая БАК, может вести себя совсем не так, как пятимерная черная дыра. Струнные теоретики вместе с теоретиками других мастей делают свои ставки и, затаив дыхание, следят за крутящимися в коллайдере частицами, способными как оправдать, так и разрушить их надежды.
Эта книга построена на некоторых базовых идеях современной теории струн и последующем обсуждении ее возможного применения к физике высоких энергий. Теория струн покоится на двух основаниях: квантовой механике и теории относительности. От этих двух оснований, как от двух сросшихся стволов дерева, отходят многочисленные ветви,
9
образующие настолько обширную крону что трудно уделить должное внимание даже ее небольшой части. Темы, обсуждаемые в этой книге, представляют собой лишь срез теории струн, что и какой-то степени позволяет избежать углубления в математические дебри.
Выбор темы также отражает мои предпочтения и предубеждения и, вероятно, даже границы моего понимания предмета.
Другой особенностью книги является то, что она посвящена физике, а не физикам. Я постараюсь рассказать вам о том, что я сам знаю лучше всего, - о теории струн, но не стану рассказывать о людях, участвовавших в ее создании (сразу скажу, что это был не я). Чтобы проиллюстрировать всю сложность рассказа о физиках, имеющих отношение к той или иной идее, зададимся простым вопросом: кто создал теорию относительности? Альберт
Эйнштейн, не правда ли? Да. Но если мы остановимся на одном этом имени, мы потеряем целый пласт истории физики. Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре проделали огромную работу, предвосхитившую результаты Эйнштейна. Герман Минковский придумал математическую систему координат, которая легла в основу специальной теории относительности. Давид Гильберт независимо создал математическую основу для общей теории относительности. Безусловно, заслуживают упоминания и такие важные фигуры, как
Джеймс Клерк Максвелл, Джордж Фицджеральд, Джозеф Лармор, так же как и более поздние первопроходцы - Джон Уилер и Субраманьян Чандрасекар. Развитие квантовой механики шло более сложным и извилистым путем, поэтому здесь нет столь яркой фигуры, как Эйнштейн, возвышающейся одиноким столпом над остальными, скорее многочисленная интернациональная армия, в рядах которой были Макс Планк, Альберт
Эйнштейн, Эрнест Резерфорд, Нильс Бор, Луи де Бройль, Вернер Гейзенберг, Эрвин
Шрёдингер, Поль Дирак, Вольфганг Паули, Паскуаль Иордан и Джон фон Нейман, вносившие каждый свой существенный вклад в общее дело, причем часто сражаясь друг против друга. А если бы я посягнул на расстановку приоритетов и оценку личного вклада каждого из участников в создание теории струн, то такая попытка отодвинула бы на второй план главную идею, ради которой задумывалась эта книга, - рассказать о новой теории.
Цель первых трех глав книги - ввести читателя в курс тех идей, которые являются основополагающими для понимания теории струн, но не являются ее составной частью. Три из них - сохранение энергии, квантование и релятивизм - более важны, чем сама теория струн, поскольку имеют непосредственное отношение к описанию реального мира.
Глава 4
, посвященная введению в теорию струн, станет первым шагом в неведомое. Хотя я и попытаюсь в
4-й
,
5-й и
6-й главах, насколько сумею, представить теорию струн, D-браны и дуальность теории струн как разумные и хорошо аргументированные теоретические построения, факт остается фактом: они не имеют экспериментальных доказательств
10
правомерности их применения для описания реального мира. Главы
1 и
� посвящены современным попыткам пристроить теорию струн для описания результатов экспериментов по столкновению высокоэнергетичных частиц. Суперсимметрия, дуальности и черные дыры в пятимерном пространстве призваны объяснить, что происходит и что может произойти с частицами в ускорителях.
В разных местах этой книги я упоминаю значения различных физических величин, такие как энергия, выделяющаяся при ядерном синтезе, или релятивистское замедление времени у олимпийского спринтера. Одной из причин, по которым я это делаю, является то, что физика - точная наука и в ней численная мера всех вещей имеет первостепенное значение. Однако физиков часто интересует лишь приблизительное значение или порядок физической величины. Например, я пишу, что величина замедления времени для спринтера составляет порядка 1/10 15
, хотя, если быть точным, то на скорости 10 метров в секунду замедление времени составляет 1/1,8х10 15
Читатели, которым нужны более точные значения и более подробные математические выкладки, смогут найти их на веб-страничке
http://press.princeton.edu/titles/9133. html.
Куда же ведет нас теория струн? Она, как кандидат в президенты на трибуне, обещает. Обещает объединить гравитацию и квантовую механику. Обещает дать нам единую теорию, объединяющую все силы взаимодействия. Обещает новое понимание пространства, времени и дополнительных измерений, в том числе еще не открытых. Обещает объяснить связь столь непохожих феноменов, как черные дыры и кварк-глюонная плазма. Воистину теория струн- это весьма «многообещающая» теория!
Смогут ли струнные теоретики когда-либо выполнить все эти обещания? На самом деле многое из обещанного уже выполнено. Теория струн предлагает элегантную цепочку рассуждений, приводящую нас от квантовой механики к общей теории относительности. В общих чертах я расскажу об этих рассуждениях в четвертой главе. Теория струн дает нам черновой набросок описания всех взаимодействий в природе. Этот набросок я обрисую в главе 7 и расскажу о трудностях, возникающих при попытке уточнения предлагаемого описания. И как я расскажу в главе 8
, расчеты, выполненные с помощью теории струн, уже сегодня могут быть проверены в ускорителях на столкновениях тяжелых ионов.
Я не претендую в этой книге на роль арбитра в многочисленных спорах о теории струн, но тем не менее выскажу все, что думаю касательно разногласий относительно различных точек зрения. Когда на основании теории струн получается какой-либо примечательный результат, ее сторонник может воскликнуть: «Это фантастика!
Представляете, как было бы здорово, если бы мы смогли что-то сделать этим способом». В то же время критик проворчит: «Это патетика! Вот если бы вы действительно смогли что-то
11
сделать этим способом, тогда я был бы впечатлен». В конце концов и критики, и сторонники, по крайней мере наиболее серьезные представители обоих лагерей, не так уж и далеки друг от друга по существу вопроса. Каждый согласится, что в фундаментальной физике есть ряд глубоких тайн. Почти каждый согласится, что струнные теоретики предприняли серьезную попытку проникнуть в эти тайны. И, несомненно, большая часть обещаний теории струн пока еще ожидает своего выполнения.
12

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

перейти в каталог файлов


связь с админом