Войти
История теории струн охватывает несколько десятилетий интенсивных исследование, включающее две суперструнные революции. Благодаря совместным усилиям многих исследователей теория струн превратилась в обширную и разнообразную тему, связанную с квантовой гравитацией, частицами и физикой конденсированного состояния., космология и чистая математика.
Теория струн представляет собой результат S -матричная теория, исследовательская программа, начатая Вернером Гейзенбергом в 1943 году после того, как Джон Арчибальд Уиллер представил в 1937 году S-матрицу. Многие выдающиеся теоретики подхватили и отстаивали теорию S-матрицы, начиная с конца 1950-х и на протяжении 1960-х годов. В середине 1970-х это поле стало маргинальным и заброшенным, а к 1980-м оно исчезло. Физики пренебрегли ею, потому что некоторые из ее математических методов были чужды, и потому что квантовая хромодинамика вытеснила ее как экспериментально более квалифицированный подход к сильным взаимодействиям.
Теория представила радикальное переосмысление основ физических законов. К 1940-м годам стало ясно, что протон и нейтрон не были точечными частицами, подобными электрону. Их магнитный момент сильно отличался от магнитного момента точечной заряженной частицы со спином 1/2, слишком сильно, чтобы приписывать разницу небольшому возмущению. Их взаимодействие было настолько сильным, что они рассыпались как маленькая сфера, а не как точка. Гейзенберг предположил, что сильно взаимодействующие частицы на самом деле являются протяженными объектами, и, поскольку существуют принципиальные трудности с протяженными релятивистскими частицами, он предположил, что понятие точки пространства-времени не работает на ядерных масштабах.
Без пространства и времени становится трудно сформулировать физическую теорию. Гейзенберг предложил решение этой проблемы: сосредоточиться на наблюдаемых величинах - тех вещах, которые можно измерить экспериментально. Эксперимент видит микроскопическую величину только в том случае, если она может быть перенесена серией событий на классические устройства, окружающие экспериментальную камеру. Объекты, летящие в бесконечность, являются стабильными частицами в квантовых суперпозициях с разными импульсными состояниями.
Гейзенберг предположил, что даже когда пространство и время ненадежны, понятие импульсного состояния, которое определяется вдали от экспериментальной камеры, все еще работает. Физическая величина, которую он предложил в качестве фундаментальной, - это квантово-механическая амплитуда для группы входящих частиц, чтобы превратиться в группу исходящих частиц, и он не допускал, чтобы в между.
S-матрица - это величина, которая описывает, как совокупность входящих частиц превращается в исходящие. Гейзенберг предложил изучать S-матрицу напрямую, без каких-либо предположений о структуре пространства-времени. Но когда переходы из далекого прошлого в далекое будущее происходят за один шаг без промежуточных шагов, становится трудно что-либо вычислить. В квантовой теории поля промежуточными этапами являются флуктуации полей или, что эквивалентно, флуктуации виртуальных частиц. В предлагаемой теории S-матрицы вообще нет локальных величин.
Гейзенберг предложил использовать унитарность для определения S-матрицы. Во всех мыслимых ситуациях сумма квадратов амплитуд должна быть равна 1. Это свойство может определять амплитуду в квантовой теории поля по порядку в ряду возмущений после того, как заданы основные взаимодействия, и в Во многих квантовых теориях поля амплитуды растут слишком быстро при высоких энергиях, чтобы образовать унитарную S-матрицу. Но без дополнительных предположений о поведении при высоких энергиях унитарности недостаточно для определения рассеяния, и это предложение многие годы игнорировалось.
Предложение Гейзенберга было возрождено в 1956 году, когда Мюррей Гелл-Манн признал, что дисперсионные зависимости - подобные тем, которые были обнаружены Хендриком Крамерсом и Ральф Крониг в 1920-х годах (см. отношения Крамерса-Кронига ) - позволяет сформулировать понятие причинности, представление о том, что события в будущем не будут влиять на события в прошлом, даже если микроскопические понятия прошлого и будущего четко не определены. Он также признал, что эти соотношения могут быть полезны при вычислении наблюдаемых в случае физики сильного взаимодействия. Дисперсионные соотношения были аналитическими свойствами S-матрицы, и они накладывали более строгие условия, чем те, которые следуют только из унитарности. Это развитие в теории S-матрицы произошло от открытия Мюрреем Гелл-Манном и Марвином Леонардом Голдбергером (1954) пересечения симметрии, другого условия, которое должна была выполнять S-матрица.
Среди видных сторонников нового подхода «дисперсионных соотношений» были Стэнли Мандельштам и Джеффри Чу, оба в то время работали в Калифорнийском университете в Беркли. Мандельштам открыл новую и мощную аналитическую форму в 1958 году и полагал, что она даст ключ к прогрессу в трудноразрешимых сильных взаимодействиях.
К концу 1950-х было обнаружено множество сильно взаимодействующих частиц со все более высокими спинами, и стало ясно, что не все они фундаментальны. В то время как японский физик Шоичи Саката предположил, что частицы можно понимать как связанные состояния только трех из них (протона, нейтрона и лямбда ; см. модель Сакаты ), Джеффри Чу считал, что ни одна из этих частиц не является фундаментальной (подробности см. В Bootstrap model ). Подход Сакаты был переработан в 1960-х годах в кварковую модель Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг, сделав заряды гипотетических составляющие дробные и отвергая идею, что они были наблюдаемыми частицами. В то время подход Чу считался более распространенным, потому что он не вводил дробные значения заряда и потому, что он был сосредоточен на экспериментально измеряемых элементах S-матрицы, а не на гипотетических точечных составляющих.
В 1959 году Туллио Редже, молодой теоретик из Италии, обнаружил, что связанные состояния в квантовой механике могут быть организованы в семейства, известные как траектории Редже, каждое из которых имеет отличительные угловые моменты. Эта идея была обобщена на релятивистскую квантовую механику Стэнли Мандельштамом, Владимиром Грибовым и [fr ] с использованием математического метода (the) обнаруженный десятилетиями ранее Арнольдом Зоммерфельдом и [de ]: результат был назван.
В 1961 году Джеффри Чу и Стивен Фраучи узнали что мезоны имели прямолинейные траектории Редже (в их схеме спин отложен в зависимости от квадрата массы на так называемом), что означало, что рассеяние этих частиц будет иметь очень странное поведение - оно должно спадать экспоненциально быстро под большими углами. Осуществив эту реализацию, теоретики надеялись построить теорию составных частиц на траекториях Редже, амплитуды рассеяния которых имели асимптотическую форму, требуемую теорией Редже.
В 1967 году заметным шагом вперед в бутстраповском подходе стал принцип, введенный в 1967 году в Caltech (первоначальный термин для этого был «средняя двойственность» или «конечная двойственность»). двойственность правила сумм энергии (FESR) »). Три исследователя заметили, что описания обмена полюсом Редже (при высокой энергии) и резонанса (при низкой энергии) предлагают несколько представлений / приближений одного и того же физически наблюдаемого процесса.
Первой моделью, в которой адронные частицы по существу следуют траекториям Редже, была модель двойного резонанса, которая была построена Габриэле Венециано в 1968 году, который отметил что бета-функция Euler может быть использована для описания данных об амплитуде четырехчастичного рассеяния для таких частиц. Амплитуда рассеяния Венециано (или модель Венециано) была быстро обобщена на N-частичную амплитуду Хольгером Бехом-Нильсеном (их подход был назван), и к тому, что теперь признано закрытые строки Мигеля Вирасоро и (их подход был назван The).
В 1969 году правила Чана – Патона (предложенные и) позволили добавить изоспин факторов в модель Венециано.
В 1969 году –70, Йоитиро Намбу, Хольгер Бек Нильсен и Леонард Сасскинд представили физическую интерпретацию амплитуды Венециано, представив ядерные силы как колеблющиеся одномерные струны.. Однако это основанное на струнах описание сильного взаимодействия сделало много предсказаний, которые прямо противоречили экспериментальным данным.
В 1971 году Пьер Рамонд и, независимо, Джон Х. Шварц и Андре Невё попытались реализовать фермионы в двойной модели. Это привело к концепции «вращающихся струн» и указывало путь к методу устранения проблемного тахиона (см. формализм RNS ).
Модели двойного резонанса для сильных взаимодействий были относительно популярной темой. исследований в период с 1968 по 1973 год. Научное сообщество потеряло интерес к теории струн как к теории сильных взаимодействий в 1973 году, когда квантовая хромодинамика стала основным направлением теоретических исследований (в основном из-за теоретической привлекательности ее асимптотическая свобода ).
В 1974 году Джон Х. Шварц и Джоэл Шерк и независимо Тамиаки Йонея, изучили бозон -подобные паттерны колебания струны и обнаружили, что их свойства точно соответствуют свойствам гравитона, гипотетической частицы-мессенджера гравитационной силы. Шварц и Шерк утверждали, что теория струн не прижилась, потому что физики недооценили ее справиться. Это привело к развитию теории бозонных струн.
Теория струн сформулирована в терминах действия Полякова, которое описывает движение струн в пространстве и времени. Подобно пружинам, струны имеют тенденцию сжиматься, чтобы минимизировать их потенциальную энергию, но сохранение энергии предотвращает их исчезновение, и вместо этого они колеблются. Применяя идеи квантовой механики к струнам, можно вывести различные колебательные моды струн, и что каждое колебательное состояние кажется отдельной частицей. Масса каждой частицы и способ, с которым она может взаимодействовать, определяются способом вибрации струны - по сути, «note » струны «звучат». Шкала нот, каждая из которых соответствует разному типу частиц, называется «спектром » теории.
Ранние модели включали как открытые строки, у которых есть две разные конечные точки, так и закрытые строки, где конечные точки соединяются, образуя полный цикл. Эти два типа струн ведут себя немного по-разному, что дает два спектра. Не все современные теории струн используют оба типа; некоторые включают только закрытую разновидность.
Самая ранняя струнная модель имеет несколько проблем: она имеет критический размер D = 26, особенность, которая была первоначально обнаружена Клодом Лавлейсом в 1971 году; теория имеет фундаментальную нестабильность - наличие тахионов (см. тахионная конденсация ); кроме того, спектр частиц содержит только бозоны, частицы, подобные фотону, которые подчиняются определенным правилам поведения. Хотя бозоны являются важнейшим компонентом Вселенной, они не единственные ее составляющие. Исследование того, как теория струн может включать в свой спектр фермионы, привело к изобретению суперсимметрии (в Западе ) в 1971 году, математического преобразования между бозонами и фермионами.. Теории струн, которые включают фермионные колебания, теперь известны как теории суперструн.
. В 1977 году проекция GSO (названная в честь Фердинандо Глиоцци, Джоэла Шерка и Дэвида I. Olive ) привела к семейству унитарных теорий свободных струн без тахионов, первых последовательных теорий суперструн (см. ниже).
первая суперструнная революция - это период важных открытий, начавшийся в 1984 году. Было осознано, что теория струн способна описать все элементарные частицы, а также взаимодействия между ними. Сотни физиков начали работать над теорией струн как наиболее многообещающей идеей объединения физических теорий. Революция началась с открытия подавления аномалий в теории струн типа I с помощью механизма Грина – Шварца (названного в честь Майкла Грина и Джон Х. Шварц) в 1984 г. Новаторское открытие гетеротической струны было сделано Дэвидом Гроссом, Джеффри Харви, Эмилем Мартинеком. и Райан Ром в 1985 году. Его также реализовали Филип Канделас, Гэри Горовиц, Эндрю Строминджер и Эдвард Виттен в 1985 году, что для получения 
К 1985 году было описано пять отдельных теорий суперструн: тип I, тип II (IIA и IIB) и гетеротический (SO (32) и E 8×E8).
Discover журнал в ноябрьском выпуске 1986 года (том 7, # 11) содержал обложку, написанную Гэри Таубс, «Все теперь привязано к струнам», в котором объясняется теория струн для широкой аудитории.
В 1987 г. [de ], [de ] и Пол Таунсенд показали, что не существует суперструн в одиннадцати измерениях (наибольшее количество измерений, совместимых с одним гравитоном в теориях супергравитации ), но супермембраны.
В начале 1990-х Эдвард Виттен и другие нашли убедительные доказательства того, что разные теории суперструн представляют собой разные пределы 11-мерной теории, которая стала известна как M- теория (подробнее см. см. Введение в M-теорию ). Эти открытия вызвали вторую революцию суперструн, которая произошла примерно между 1994 и 1995 годами.
Различные версии теории суперструн были объединены, как давно надеялись, новыми эквивалентностями.. Они известны как S-двойственность, T-двойственность, U-двойственность, зеркальная симметрия и конифолд <94.>переходы. Различные теории струн также были связаны с М-теорией.
В 1995 году Джозеф Полчински обнаружил, что теория требует включения объектов более высоких измерений, называемых D-бранами : это источники электрических и магнитных Поля Рамона – Рамона, которые требуются для строковой двойственности. D-браны добавили в теорию дополнительную богатую математическую структуру и открыли возможности для построения реалистичных космологических моделей в теории (подробнее см. Космология Бран ).
В 1997–1998 годах Хуан Малдасена предположил связь между теорией струн и N = 4 суперсимметричной теорией Янга – Миллса, калибровочной теорией. Эта гипотеза, названная AdS / CFT-соответствием, вызвала большой интерес в физике высоких энергий. Это реализация голографического принципа, который имеет далеко идущие последствия: соответствие AdS / CFT помогло прояснить загадки черных дыр, предложенных Стивеном Хокингом, и считается, что он разрешает информационный парадокс черной дыры.
В 2003 году открытие Майклом Р. Дугласом ландшафт теории струн, который предполагает, что теория струн имеет большое количество неэквивалентных ложных вакуумов, привел к многочисленным дискуссиям о том, что в конечном итоге может предсказывать теория струн и как космология может быть включена в теорию.
Возможный механизм стабилизации вакуума в теории струн (механизм KKLT ) был предложен в 2003 году Шамитом Качру, Рената Каллош, Андрей Линде и Сандип Триведи.
