M-теория, теория, называвшаяся ранее струнной

Стандартная модель

В стандартной модели физики частиц, частицы рассматриваются как точки, движущиеся в пространстве, вычерчивая линию, называемую мировой линией. Чтобы учесть различные взаимодействия, наблюдаемые в Природе, необбходимо приписать частицам больше степеней свободы, чем их положение и скорость, такие как масса, электрический заряд, цвет (который является "зарядом", связанным с сильным взаимодействием) и спин.

Стандартная модель была создана в рамках, называмых Квантовой теорией поля (QFT), которая дает нам инструменты для построения теорий, согласующихся как с квантовой механикой так и со специальной теорией относительности. С использованием этих средств были построены теории, которые с большим успехом описали три из четырех известных в природе взаимодействий: Электромагнетизм, а также Сильное и Слабое ядерное взаимодействие. Более того, было достигнуто весьма успешное объединение между Электромагнетизмом и Слабым взаимодействием (Электрослабая теория), и были выдвинуты многообещающие идеи в попытках присоединить также Сильное взаимодействие. Но, к сожалению, четвертое взаимодействие, гравитация, великолепно описанная Общей теорией относительности Эйнштейна (GR), по-видимому не укладывается в эту схему. Всякий раз, как мы пытаемся применить правила Квантовой теории поля к Общей теории относительности, мы получаем результат, в котром нет смысла. Например, сила между двумя гравитонами (частицы, которые переносят гравитационные взаимодействия), становится бесконечной и мы не знаем, как справиться с этими бесконечностями, чтобы получить физически разумный результат.

Теория струн

В теории струн, мириады типов частиц заменяются на единственный фундаментальный строительный блок, `струну'. Эти струны могут быть замкнуты, как петли, или разомкнуты, как волос. При движении струны во времени она вычерчивает трубку или лист, в зависимости от того, замкнута она или нет. Более того, струна может вибрировать, и различные моды вибрации струны предстают как часицы разных типов, поскольку различные моды выглядят как различные массы или спины.

Одна мода вибрации, или `нота', делает струну выглядещей как электрон, другая - как фотон. Существует даже мода, описывающая гравитон, частицу, переносящую силу гравитации, что является важной причиной того, почему Теории струн было уделено столь большое внимание. Суть в том, что мы можем разобраться с взаимодействием двух гравитонов в Теории струн таким образом, как не смогли этого сделать в Квантовой теории поля. Бесконечностей нет! И гравитация это не то, что мы туда внесли сами. Она содержалась в Теории струн. Поэтому, первым большим достижением Струнной теории является построение последовательной теории квантовой гравитации, которая напиминает Общую теорию относительности на макроскопических расстояниях. Более того, Теория струн также обладает необходимыми степенями свободы для описания других взаимодействий! В соответствии с этим возникла большая надежда, что Теория струн сможет объединить все известные взаимодействия и частицы в одну `Теорию всего'.

От струн к суперструнам

Известные в природе частицы в соответствии с их спином подразделяются на бозоны (целый спин) и фермионы (полуцелый спин). Первые частицы являются переносчиками взаимодействий, например, фотон, который переносит электромагнитные взаимодействия, глюон, который переносит сильное ядерное взаимодействие, и гравитон, который переносит гравитационные силы. Из вторых же состоит материя, из которой мы сделаны, такая как электрон или кварк. Обычная теория струн описала лишь частицы, являвшиеся бозонами, следовательно это Бозонная Теория струн. Она не описывает Фермионы. Поэтому кварки и электроны, например, не были включены в Бозонную Теорию струн.

Добавив к Бозонной теории струн Суперсимметрию, мы можем получить новую теорию, которая описывает как силы, так и материю, составляющую Вселенную. Это Теория суперструн. Существует три различные имеющие смысл Теории суперструн, т.е. не имеющие математических несообразностей. В двух из них фундаментальным объектом является замкнутая струна, тогда как в третьей, строительным блоком является незамкнутая струна. Более того, смешивая лучшие стороны Бозонной теории струн и Теории суперструн, мы можем построить другие две последовательные теории струн, Гетеротические Теории струн.

Однако, такое количество Теорий струн стало головоломкой: Если мы ищем Теорию всего, то иметь пять таких теорий это мешающее богатство! К счастью, появилась спасительная M-теория.

Дополнительные измерения...

Одним из наиболее замечательных предсказаний Теории струн является то, что пространство-время имеет десять измерений! На первый взгляд, это может рассматриваться как повод вовсе отклонить такую теорию, поскольку у нас очевидно имеется лишь три измерения пространства и одно время. Однако, если мы предположим, что шесть из имеющихся измерений являются очень плотно свернутыми, тогда мы можем просто не подозревать об их существовании. Более того, наличие таких так называемых компактифицированных измерений оказывается очень выгодным для Теории струн в плане описания Теории Всего. Идея состоит в том, что такие степени свободы, как электрический заряд электрона, будет в этом случае описываться просто как движение в дополнительном компактифицированном направлении! Представление о том, что компактифицированные измерения могут вести к объединению теорий не является новым, а относится к 1920-ым годам, к теории авторов Kaluza и Klein. В этом смысле, Теория струн является окончательной теорией Kaluza-Klein.

Для простоты, обычно полагают, что дополнительные измерения свернуты в шесть окружностей. В целях поручения реальных результатов они рассматриваются как свернутые на математических объектах, называемых Многообразиями Calabi-Yau или Орбифолдами (Orbifolds).

M-теория

Наряду с тем фактом, что вместо одной существует пять различных жизнеспособных теорий струн (три суперструнные и две гетеротические струнные), существовала и другая сложность в изучении этих теорий: у нас не было средств для исследования теории при всех возможных значениях параметов каждой из теорий. Каждая теория была подобна большой планете, на котрой мы знали лишь небольшой остров, где-то на планете. Но в последние четыре года, были созданы методики для более тщательного исследования теорий, другими словами, для путешествия по морям на каждой из таких планет и поиска новых островов. И лишь тогда было установлено, что эти пять струнных теорий являются на самом деле островами на одной и той же планете, а не на разных! Таким образом, существует общая теория, для котрой все Теории струн являются лишь её различными аспектами. Эта теория была названа M-теорией. Буква M может означать Материнская для всех этих теорий или Мистическая, поскольку планета, которую мы называем M-теория, все еще является во многом не исследованной.

Существует еще и третья возможность расшифровать M в M-теории. Один из островов, который был найден на планете M-теории соответствует теории, которая живет не в 10, а в 11 измерениях. Она по-видимому говорит нам, что M-теория должна рассматриваться, как теория 11 измерений, которая выглядит 10-мерной с некоторых точек её пространства параметров. Такая теория может иметь в качестве фундаментального объекта Мембрану, как некую противоположность струне. Подобно тому, как соломинка выглядит на расстоянии, мембраны могут выглядеть как струны, если мы свернем 11-ое измерение в маленькую окружность.

Черные дыры в M-теории

Мнногие годы Черные дыры изучались как конфигурации пространства-времени в Общей теории относительности, соответствующей очень сильным гравитационным полям. Но из-за того, что мы не можем построить последовательную Квантовую теорию из Общей теории относительности, относительно микроскопической физики черных дыр возникло несколько головоломок. Одна из наиболее интригующих была связана с энтропией Черных дыр. В термодинамике, энтропия это величина, которая измеряет число состояний системы, которые выглядят одинаковыми. Весьма замусоренная комната имеет большую энтропию, поскольку можно передвинуть что-либо, лежащее на полу с одной стороны комнаты на другую сторону и этого никто не заметит благодаря беспорядку - эти два состояния будут эквивалентными. В очень опрятной комнате, если Вы что-нибудь измените, это будет заметно, посколько там всё лежит на своем месте. Таким образом, мы связываем энтропию с беспорядком. Черные дыры имеют огромное количество беспорядка. Однако, никто не знал, какие состояния связаны с энтропией Черной дыры. последние четыре года внесли большой вклад в эту область. Методики, подобные тем, которые использовались, чтобы находить острова в M-теории, позволили нам в точности объяснить какие состояния соответствуют беспорядку некоторых Черных дыр, и объяснить используя фундаментальную теорию термодинамические свойства, которые ранее были выведены с использованием менее прямых аргументов.

Многие другие проблемы остаются не решенными, однако применение Теории струн для изучения Черных дыр, обещает стать одной из интереснейших тем на ближайшие несколько лет.

[ Назад ] [ Космология ] [ Черные дыры ] [ Космические струны ] [ Инфляция ] [ Квантовая гравитация ] [ Домой ] [ Дальше ]
..:: Перевел с английского В.Г. Мисовец