W badaniach podstawowych , teoria łańcuch jest teoretycznym, w którym cząstki punkt z fizyki cząstek są reprezentowane przez przedmioty jednowymiarowych zwane łańcuchy . Teoria opisuje, w jaki sposób te struny rozchodzą się w przestrzeni i oddziałują na siebie. W skalach odległości większych niż skala strun struna wygląda jak zwykła cząstka, a jej masa , ładunek i inne właściwości są określane przez stan wibracji struny. W teorii strun jeden z tych stanów wibracyjnych odpowiada grawitonowi, cząstka opisana przez mechanikę kwantową , która przenosi oddziaływanie grawitacyjne . Zatem teoria strun jest teorią grawitacji kwantowej .
Ponieważ teoria strun potencjalnie zapewnia ujednolicony opis grawitacji i fizyki cząstek, jest kandydatem na teorię wszystkiego , samowystarczalny model matematyczny opisujący wszystkie siły i formy materii . Pomimo wielu prac nad tymi zagadnieniami, nie jest jasne, w jakim stopniu teoria strun opisuje świat rzeczywisty, ani ile swobody w doborze szczegółów pozostawia ramom teoretycznym.
Teoria strun została zastosowana do różnych problemów
Z drugiej strony pobudziło to wiele ważnych zmian w czystej matematyce . W szczególności umożliwiła konceptualizację symetrii lustrzanej w geometrii .
Dzisiejsza fizyka teoretyczna opiera się na dwóch głównych teoriach dotyczących fizyki cząstek elementarnych:
Ogólną teorię względności wspierają głównie obserwacje astronomiczne (w skali Układu Słonecznego, takie jak postęp peryhelium Merkurego oraz w skali astronomicznej, takie jak soczewki grawitacyjne i dynamika gwiazd podwójnych), ale także konkretne zastosowania, takie jak GPS .
Mechanika kwantowa jest poparta wszystkimi obserwacjami w mniejszych skalach (od pikometrów do miliardów kilometrów).
Każda z tych dwóch teorii doprowadziła do imponujących sukcesów (pod względem precyzyjnych i wiarygodnych eksperymentów, por. Mechanika Klasyczna i Mechanika Kwantowa ) w swojej dziedzinie, ale wspomniana powyżej głęboka różnica leży u źródeł niespójności. Niektórzy fizycy przyjęli zatem postawę pragmatyczną: używajmy każdego narzędzia w jego zakresie ważności bez stwarzania problemów, które mogą być nierozwiązywalne (por. Szkoła Kopenhaska , w przeciwieństwie do innych, którzy proponują bardziej realistyczny punkt widzenia zgodnie z obiema teoriami, zob. . De Broglie-Bohm teoria ).
Pozostaje, że pewne zjawiska wymagałyby zastosowania obu teorii. Tak więc czarna dziura ma takie pole grawitacyjne, że przyciąga wszystko, co przechodzi w jej zasięgu, w tym światło, co sugeruje ogólną teorię względności. Aby próbować opisać „naturę” „materii”, z której jest wykonana, co implikuje sformułowanie matematycznie spójnej teorii pola, konieczne jest odwołanie się do mechaniki kwantowej. Pierwsze chwile Wielkiego Wybuchu stanowiłyby, uznając teorię za słuszną, podobny problem, przynajmniej na pierwszy rzut oka. Teorie strun próbują opisać takie zjawiska. The Elegant Universe autorstwa Briana Greene'a zawiera przegląd tego tematu do użytku przez nie-specjalistów.
Oprócz fundamentalnych kontrowersji wymienionych poniżej, teorie strun mają też praktyczną wadę – ich ekstremalną złożoność, która do tej pory nie pozwala nam osiągnąć użytecznych wyników bez przybliżonych przybliżeń. Do chwili obecnej jest to przede wszystkim teoria matematyczna o celach fizycznych, których słuszności nie da się wykazać doświadczeniem.
Teoria opiera się na dwóch założeniach:
Na podstawie tych założeń teoria strun przewiduje, że:
W latach 60. zachowanie hadronów wciąż pozostaje tajemnicą dla społeczności naukowej. Różne badania przeprowadzone w akceleratorach cząstek zaprzeczają wszystkim sformułowanym hipotezom. W 1968 roku fizyk Gabriele Veneziano wykorzystuje funkcję beta z Euler wyjaśnić zależność między spinu elektronów i energii. Ta praca jest kontynuowana i ulepszana w kolejnych latach, ale zawsze bez przekonującego wyjaśnienia. W 1973 roku pojawiła się nowa teoria, chromodynamika kwantowa (w skrócie QCD od Quantum ChromoDynamics ), której wyniki były na tyle przekonujące, że została zintegrowana z modelem standardowym i przyniosła jej autorom w 2004 roku Nagrodę Nobla. odpowiedzi na pytania fizyków, QCD jest nadal uważane za aktualne, ale nie unieważnia teorii strun, której badania są kontynuowane.
W 1984 roku, przez to osiągnięcie techniczne, Michael B. zielony i John H. Schwarz wykazała brak w mierniku lub grawitacyjne anomalii w rodzaju I teorii łańcucha , który jest chiralny teorii , jak również model standardowej . W tej pracy po raz pierwszy pojawia się perspektywa uzyskania realistycznej fenomenologii ze smyczków.
W połowie lat 90. odkryto dużą liczbę „mostów” lub dwoistości między różnymi teoriami strun. W 1995 roku , fizyk Edward Witten sugerują, że te dualności odzwierciedla bardziej fundamentalną teorię , zwaną teorią M . Skupiałoby różne teorie strun w przestrzeni ciągłej, z których każda uzyskałaby pewne granice parametrów, które składałyby się na przestrzeń modułów . Ten okres intensywnej aktywności w terenie zasłużył sobie na miano „drugiej rewolucji strun”.
26-wymiarowa teoria strun bozonowych jest oryginalną i najprostszą teorią strun. Sformułowanie teorii na jej arkuszu wszechświata zawiera tylko bozony , stąd jej nazwa. Zawiera tachion (rodzaj hipotetycznej cząstki, której energia jest wielkością rzeczywistą, a masa (w spoczynku) czystą urojoną ), co wskazuje, że teoria jest niestabilna, a zatem nieodpowiednia do opisu rzeczywistości.
Jednak z pedagogicznego punktu widzenia przydatne jest zapoznanie się z podstawowymi pojęciami występującymi w bardziej realistycznych modelach. W szczególności na poziomie masy zerowej ujawnia grawiton . Dopuszcza liny otwarte lub zamknięte.
W rzeczywistości istnieje pięć teorii superstrun. Łączy je 10-wymiarowy wszechświat (dziewięć przestrzeni i jeden czasu), który nie ma tachionów , i zakładają istnienie supersymetrii na arkuszu wszechświata strun, co skutkuje istnieniem supersymetrii w docelowej przestrzeni :
Teorie superstrun różnią się od pierwszej dzięki istnieniu dodatkowej symetrii, supersymetrii , która okazała się konieczna, gdy pożądane jest włączenie fermionów (materii) do teorii strun bozonowych.
Inne rozszerzone obiekty pojawiają się w teoriach strun, Dp-brany , gdzie p jest liczbą całkowitą, która wskazuje liczbę wymiarów przestrzennych danego obiektu. Są one opisywane jako podprzestrzenie, w których żyją końce otwartych strun. Badanie pokazuje widma D1, D3, D5 i D7 brany mogą być włączone do miejsca docelowego opisano teorią II B, podczas gdy w przestrzeni, w której typ II A łańcuchy żyć, brany typu II A może być wprowadzony. D0, D2 , D4, D6 i D8. D1 mają taką samą liczbę wymiarów jak cięciwa podstawowa (zwykle oznaczana jako F1). Chociaż jest to dwa różne obiekty, nieperturbacyjna symetria teorii II B, zwana S-dualnością , która przeszła dużą liczbę pośrednich weryfikacji, ma właściwość zamiany brany D1 na F1.
W 1995 roku na konferencji Strings '95 . Edward Witten syntetyzuje dużą liczbę wskazówek, które wskazują na istnienie 11-wymiarowej teorii leżącej u podstaw pięciu wersji teorii superstrun, a także 11-wymiarowej supergrawitacji , którą można rozumieć jako jej przypadki graniczne, zwane teorią M. ujednolicona wizja pięciu teorii strun opiera się zasadniczo na ich wzajemnym połączeniu poprzez liczne dualności strun . Supergrawitacja maksymalna może sama być rozumiane jako efektywny teorii niskiej energii.
Jeśli chodzi o wybór nazwy, Edward Witten powiedział później: „M oznacza „magia”, „tajemnica” lub „matryca”, w zależności od gustu. "
Możemy zajrzeć na stronę teorii strun w przestrzeni twistorów (en) i kilka elementów przedstawionych w omówieniu amplituedronu . Ambitwistoryczna teoria strun przedstawiona jest na stronie „ Teoria Twistora ”.
Brane lub bardziej dokładnie p-bran, jest rozszerzoną obiekt w teorii strun. P oznacza liczbę od przestrzennych wymiarów , w którym rozciąga się Brane. Do tej liczby należy dodać wymiar czasowy, aby uzyskać całkowitą liczbę wymiarów. Na przykład 1-brana to brana mająca tylko jeden wymiar przestrzenny, ale łącznie dwa wymiary. Dlatego odpowiadają one powierzchniom wszechświata . 2-brana to brana o jednym wymiarze czasowym i dwóch wymiarach przestrzennych.
W wyniku wprowadzenia bran do teorii strun powstało kilka modeli kosmologicznych . Ogólną ideą kosmologii branar jest to, że nasz wszechświat byłby ograniczony do 4-brany. Oznacza to, że cząstki stałe materii ( kwarki , elektrony , etc. ) i podstawowe oddziaływania inne niż siły ciężkości (prowadzone przez cząsteczki takie jak fotony , gluonu , etc. ) mogą poruszać się tylko tam. Wewnątrz brany podczas grawitacyjnego ma możliwość poruszania się również w pełnej czasoprzestrzeni (mówimy też po angielsku większość ), której brana reprezentuje tylko podprzestrzeń.
Również w ramach modelu Wielkiego Wybuchu , jako alternatywę dla kosmicznej inflacji, wprowadzono ostatnio pomysł opisania pierwszych momentów historii Wszechświata , model ekpirotyczny . W tym modelu początkowa ekspansja wynika ze zderzenia brany i antybrany, która uwalnia energię niezbędną do ekspansji Wszechświata. Model ten przewiduje możliwość innych zderzeń, które mogłyby doprowadzić do innych Wielkich Wybuchów . Niemniej jednak nie wzbudza jednomyślności w środowisku kosmologów, a kosmiczna inflacja pozostaje mechanizmem uważanym głównie za opis pierwszych chwil.
Zgodnie z teorią strun nasz świat, którego przestrzeń wydaje się trójwymiarowa, nie składałby się z 4 wymiarów czasoprzestrzeni (3 przestrzeni i 1 czasu), ale z 10, 11, a nawet 26 wymiarów. Bez tych dodatkowych wymiarów teoria upada. Rzeczywiście, fizyczna spójność ( funkcja falowa dająca nieujemne prawdopodobieństwa) wymaga obecności dodatkowych wymiarów . Powodem, dla którego pozostają niewidoczne, jest to, że zostałyby zwinięte w procesie redukcji wymiarów w skali mikroskopowej (miliardy razy mniejszej od atomu), co nie pozwoliłoby nam ich wykryć.
Rzeczywiście, jeśli wyobrazimy sobie kabel widziany z daleka, przedstawia on tylko linię prostą bez grubości, obiekt jednowymiarowy. Jeśli podejdziemy wystarczająco blisko, zdamy sobie sprawę, że rzeczywiście istnieje drugi wymiar: ten, który otacza się wokół kabla. Zgodnie z teorią strun, tkanina przestrzenna może mieć bardzo duże wymiary, jak nasze zwykłe trzy wymiary, ale także małe wymiary zwinięte na siebie.
Przestrzenie Calabiego-Yau to odmiany, które pełnią rolę zwiniętych wymiarów. Jest to niezwykle złożony kształt składający się z 6 wymiarów sam w sobie. Dzięki nim otrzymujemy dziesięć wymiarów: nasze zwykłe cztery wymiary (trzy przestrzeni i jeden czasu) + sześć przestrzeni Calabiego-Yau .
Supersymetria to symetria w fizyce cząstek elementarnych . Ustanawia bardzo silne powiązanie między cząstkami o pełnym obrocie , a tymi o półpełnym obrocie . W tym kontekście fermiony są kojarzone z innym rodzajem cząstek: superpartnerem . Superpartnerzy to duże cząstki, które są identyczne ze swoim partnerem pod każdym względem , z wyjątkiem spinu : ten superpartnera różni się o pół jednostki.
Supergrawitacja to teoria łącząca supersymetrię z ogólną teorią względności . Jego działanie opiera się zatem na 11 wymiarach.
Pierwsze użycie supersymetrii do zrozumienia silnie skorelowanej teorii cechowania ( N = 2) zostało opisane przez Seiberga i Wittena w 1994 roku.
Teoria strun nie jest jeszcze ugruntowaną teorią, ale wciąż budzi wiele nadziei. Wiele ważnych punktów wydaje się być problematycznych i wciąż bardzo kontrowersyjnych. Żadna z tych kontrowersji definitywnie nie unieważnia teorii, ale pokazują, że ta teoria wciąż musi ewoluować, doskonalić się i korygować swoje słabości.
Istnieje wiele rozwiązań równań teorii strun, co stwarza problem doboru naszego Wszechświata, a z drugiej strony, nawet jeśli można by uzyskać wiele sąsiednich modeli, to żadne z nich nie pozwala na dokładne uwzględnienie modelu standardowego fizyki cząstek elementarnych.
Jednak tak duża liczba rozwiązań równań teorii strun (niektórzy fizycy, tacy jak Aurélien Barrau, mówią o rozwiązaniach 10⁵⁰⁰ lub nawet więcej) jest rozważana przez Leonarda Susskinda , jednego z twórców teorii strun, (w swojej książce Le cosmic landscape ). jak otwierając drogę do racjonalnego wytłumaczenia dla faktu, że wszechświat wydaje się, że zostały specjalnie zaprojektowane tak, że możemy istnieć (zwłaszcza dostosowanie wartości niektórych stałych fizycznych z wysoce nieprawdopodobną precyzją, aż do 120 th dziesiętne ...). Rzeczywiście, ta duża liczba rozwiązań pozwala wyobrazić sobie, że nie istnieje jeden wszechświat, ale mnogość, odpowiadająca wszystkim rozwiązanym rozwiązaniom. Większość nie byłaby zgodna z życiem, a nawet z obecnością gwiazd lub atomów, żadna chemia nie byłaby możliwa, ale znaleźlibyśmy się w nieskończenie małej bańce tych „megawerów” ze szczególnymi warunkami pozwalającymi na pojawienie się atomów, gwiazd i życia . Warunki te są wysoce nieprawdopodobne, ale jeśli liczba możliwości dąży do nieskończoności, warunki te muszą gdzieś się spotkać. Hipoteza ta wzbudza gorącą debatę w środowisku naukowym .
Mimo, że różne niezależne preparaty ( patrz poniżej) zostały opracowane w latach 1980, gdy łańcuch dwoistość wyniki uzyskane w 1990 pozwoliło uznać, że wszystkie teorie uprzednio wykonane są same tylko różne ograniczenia, bardziej podstawowym jednej teorii, zwany M-teorii , preparat mikroskopowy jest nieznana, lecz skuteczny teoria o niskiej energii jest supergrawitacja maksymalna jedenastu wymiarach, o jeden większa niż krytyczny wymiar od superstrun teorii .
Jednym z głównych faktów doświadczalnych zaobserwowanych w ostatnich latach jest to, że Wszechświat szybko się rozszerza . Energia ciemny , o nieznanej naturze, postulowano, aby wyjaśnić to przyspieszenie. Ta ciemna energia może być również postrzegana jako pozytywna stała kosmologiczna . Teoria strun nie przewidziała przyspieszenia ekspansji Wszechświata, ponieważ teoria ta w naturalny sposób prowadzi do wszechświatów o ujemnej lub zerowej stałej kosmologicznej. Zapewnienie zgodności teorii strun ze stałą dodatnią okazało się bardzo trudne i zostało wykonane dopiero w 2003 roku przez grupę z Uniwersytetu Stanforda. Ale jedną z konsekwencji tej pracy jest to, że istnieje około 10⁵⁰⁰ teorii możliwych ciągów, co daje teorie „ krajobrazowe ” zamiast jednej teorii. Istnienie tej ogromnej liczby różnych teorii – z których wszystkie mają tę samą teoretyczną ważność – prowadzi bezpośrednio do hipotezy wieloświata , a nawet do zasady antropicznej , która niepokoi lub intryguje wielu fizyków.
Joseph Polchinski zauważa jednak, że Steven Weinberg przewidział w latach 80. niezerową stałą kosmologiczną, postawiając hipotezę o wieloświecie , co jest dokładnie możliwą konsekwencją teorii strun.
Według Petera Woita teoria strun „nie może się nawet mylić”. Rzeczywiście, Krajobraz teorii umożliwia dostosowanie stałych swobodnych teorii strun tak, aby pomieścić praktycznie każdą obserwację, znaną lub nadchodzącą. Na przykład, jeśli LHC nie wykryje cząstek superpartnera , będzie można zmodyfikować teorię, aby te cząstki były cięższe, aby wyjaśnić ich brak wykrywania. Ta elastyczność bardzo utrudnia również przewidywanie zjawisk fizycznych, które mogą testować i potwierdzać teorię strun. Ponadto nie wiadomo, czy uda się przeprowadzić eksperymenty na dodatkowych wymiarach Wszechświata.
Pomimo wszechstronności, a nawet wszechstronności teorii strun, można ją obalić dzięki sygnaturze grawitacyjnej strun, którą wkrótce będzie w stanie przetestować Obserwatorium fal grawitacyjnych za pomocą interferometrii laserowej .
Teoria strun jest obecnie określana jako teoria półklasyczna . To znaczy, że biorąc pod uwagę ustalone środowisko (geometrię tła plus możliwą materię), sformułowanie jako model sigma umożliwia znajdowanie i badanie wzbudzeń strun tylko w pobliżu tej geometrii. Analogiem w mechanice kwantowej tej sytuacji jest badanie atomu wodoru skąpanego w tle pola elektrycznego (co umożliwia np. badanie emisji spontanicznej, ale nie wymuszonej ).
Należy jednak zwrócić uwagę na szereg punktów:
Pierwsze dwa punkty pokazują, że teoria ta jest doskonale zgodna z ogólną teorią względności. Drugi punkt jest analogiczny w przypadku atomu wodoru z koniecznością, aby pole tła spełniało równania Maxwella. Aby uwolnić się od tych ograniczeń otoczenia i analogicznie do drugiej kwantyzacji w przypadku cząstek, której wynikiem jest kwantowa teoria pola , pożądane jest zatem posiadanie teorii pola strun, która odpowiada kwantyzacji tych funkcji falowych strun. . Sformułowanie to istnieje, ale komplikacje techniczne wynikające z rozszerzonej natury strun sprawiają, że poszukiwanie dokładnych rozwiązań ich równań jest niezwykle trudne matematycznie, a zatem jego wpływ na rozwój teorii strun jest wciąż ograniczony w porównaniu z wpływem kwantowej teorii pola na cząstkę. fizyka.
Na koniec zwróćmy uwagę, że w pętli kwantowej grawitacji, która jest kolejnym kandydatem do kwantowego opisu grawitacji (ale która nie pozwala jednak na włączenie pól materii) sformułowanie teorii jest wyraźnie niezależne od podstawowej geometrii, ale jeszcze nie jest. ustalił, że szanuje niezmienność Lorentza .
Teoria strun jest często przedstawiana jako rozwiązanie problemu „ wielkości nieskończonych ”, które pojawiają się w kwantowej teorii pola lub w ogólnej teorii względności . Byłby to wielki sukces teorii strun, gdyby przedstawiono matematyczny dowód; dokładność jego demonstracji jest zatem ważną kwestią. Wczesny dowód został opublikowany w 1992 roku przez Stanleya Mandelstama, że pewne typy dywergencji nie pojawiają się w równaniach teorii strun. Jednak, jak przyznaje sam Mandelstam w liście do Carlo Rovelli , nie jest wykluczone, że mogą pojawić się inne rodzaje nieskończoności.
W 2001 roku Eric d'Hoker i Duong H. Phong wykazali, że jakakolwiek forma nieskończoności jest niemożliwa do rzędu 2 aproksymacji.
W 2004 r. Nathanowi Berkovitsowi udało się wykazać, że jakakolwiek forma nieskończoności jest niemożliwa i to w dowolnej kolejności przybliżeń, ale poprzez przeformułowanie teorii strun, w szczególności poprzez dodanie pewnej liczby dodatkowych założeń .
Mimo braku formalnych dowodów niewielu teoretyków kwestionuje skończoność teorii strun. Jednak niektórzy, jak Lee Smolin, uważają, że trudność w uzyskaniu ostatecznego dowodu świadczy o fundamentalnym problemie na tym poziomie.
Stworzenie mikro czarnej dziury w zderzaczu cząstek, jeśli zostanie przeprowadzone, dostarczyłoby wielu możliwości potwierdzenia lub unieważnienia teorii.