Струнната теория

Във физиката, Теорията М (понякога наричана „Теория U“) се изтъква като главната теория, обединяваща петте теории за струните (теория за струните и теории за суперструните), имена на съперничещи си теории. Едуард Уитън от Университета в Принстън предположи за съществуването на този физичен модел на конференция в Университета в Южна Калифорния през 1995 г., като обясни няколкото наблюдавани преди това дуалности и даде началото на нова вълна изследвания в областта на теорията за струните, наречена втората революция в областа на суперструните.
В началото на деветдесетте години на миналия век бе доказано, че различните теории за суперструните се свързват от дуалности, което позволи на физиците да свържат описанието на един обект в една теория за струните с описанието на друг обект в друга теория. Тези връзки показват, че всяка от теориите за струните е просто различен аспект на една обща теория, предложена от Уитън и назована „Теория М“. Изразено метафорично, всеки аспект на Теорията M дотогава бил считан за идея, представляваща отделна планета, като тя не е известна на останалите планети. Но сега се установява, че те се намират на една и също планета, но са разделени от непознатите аспекти на Теорията M.
Теорията M все още не е завършена. Тя може да бъде приложена в множество ситуации, обикновено при обяснението на теоретичните дуалности на струните). Теорията за електромагнетизма също е преминала в подобна фаза през ХІХ век; съществували са отделни теории за електричеството и за магнетизма и въпреки че тяхната връзка е била известна, точното отношение между тях не било разкрито до публикуването на Уравненията на Максуел. Уитън предполага, че общото формулиране на Теорията М най- вероятно изисква разработването на нов математически език.

Струнна теория

Струнната теория е модел от теоретичната физика, която се стреми да обясни всички налични в природата сили и елементарни частици. Нейни градивни елементи са едноизмерни обекти (струни) вместо безизмерни точки (частици) които са основата на стандартния модел от физика на елементарните частици. По тази причина струнната теория е в състояние да разрешава проблеми, възникващи от това че квантова механика разглежда елементарните частици като точковидни обекти. Очаква се струнната теория да разработи една разумна квантова теория на гравитацията. Нещо повече, предполага се че струнната теория ще може да унифицира известните ни в природата сили: гравитационна, електромагнитна, силно ядрено взаимодействие и слабо ядрено взаимодействие, като ги опише с един набор от уравнения. Струнната теория разглежда не само едноизмерни струни, но и многоизмерни обекти. Тя предполага съществуването на 10 или 11 измерения на време-пространство-то, в противовес на класическите 4 измерения (пространствени – x, y и z, и време t). Основната идея на всички струнни теории е че основните градивни частици на действителността представляват струни със свръхмикроскопични размери (вероятно с дължина на Планк – около Е-35 м), които трептят със специфични резонансна честота. Така всяка частица трябва да се възприема като микроскопичен едноизмерен трептящ обект, вместо като точка. Този обект може да трепти в различни модове (както струните на китарата могат да възпроизвеждат различни тонове), като всеки мод се явява различна елементарна частица (електрон, фотон и др.). Струните могат да се делят и да се сливат, което е еквивалент на това частици да поглъщат или излъчват други частици, подобно на ядрена реакция между елементарни частици.

Струнната теория освен струни предвижда и съществуването на обекти с повече измерения (D-брани, NS-брани и др.). Освен това всички струнни теории предвиждат съществуването на повече степени на свобода, които обикновено се описват като допълнителни измерения. Различните теории включват 10, 11 до 26 измерения. По общо казано в струнната и сродните и теории съществуват пространствени обекти – ‘брани’ или ‘р-брани’, където ‘р’ съответствува на количеството измерения на браните. Така 0-брана е безизмерна частица (точка), 1-брана е струна, 2-брана е мембрана и т.н. Всяка р-брана обгръща един р+1 измерен обем. Един от най-важните типове брани са D-браните. Някои от тях, например четните Dp-брани са обекти в струнната теория тип IIA, а нечетните Dp-брани – в струнната теория IIB. Техния магнитен еквивалент са NS-брани. С развитието на М-теория-та всички фундаментални струни (F-струни) стават двуизмерни мембрани, наричани М2-брани или супермембрани. Техния магнитен еквивалент са М5-брани.

Суперструнна теория



Суперструнната теория се опитва да обясни всички частици и фундаментални сили в природата в една теория моделираща ги като вибрациите на микроскопични суперсиметрични струни. Разглеждана е като една от най-обещаващите кандидат-теории на квантовата гравитация. Суперструнната теория е съкращение от „суперсиметрична струнна теория“ защото противоположно на бозонна струнна теория, тя е версия на струнната теория, обединяваща фермион-ите и суперсиметрия-та.
Най-големия проблем на теоретичната физика е хармонизирането на Обща теория на относителността, която обяснява гравитацията и се отнася до големи структури (звезди, галактики, супер съзвездия), с квантова механика, която обяснява другите три фундаментални сили, действащи на микроскопично ниво.
Развитието на квантова теория на полето на сила постоянно води до безкрайни вероятности (по тази причина те са безполезни). Физиците развиват математически техники (ренормализация) за да елиминират тези безкрайности, които работят добре при електромагнитното, силно ядрено взаимодействие и слабо ядрено взаимодействие, но не и при гравитацията. По този начин развитието на квантова теория на гравитацията трябва да стане чрез различни средства от тези използвани за другите сили.
Основната идея е че фундаменталните съставни части на реалността са струни с дължина на Планк (около 10хЕ-35 м), които вибрират с резонансна честота. Силата на разтягане на тези струни(8.9хЕ+42 нютона) е около Е+40 пъти силата на разтягане на средна струна на пиано(735 нютона). Гравитонът (частица-носител на гравитационните сили) например, е предвидено от теорията да бъде струна с амплитуда на трептене равна на нула.
Друго ключово прозрение на теорията е че не могат да бъдат засечени измерими разлики между струните, които са обвивка около обекти с по-малко измерения от самите себе си и тези които са обвивка на обекти с повече измерения (ефекти в измерения с размер R са равни на тези чиито размер е 1/R). Сингулярност-ите са избегнати, защото наблюдаваните последствия на Големия срив никога не достигат нулев размер. Всъщност започне ли Вселената процес от типа на „Големия срив“, струнната теория диктува че Вселената не може да стане по-малка от размера на струна, в която точка тя би започнала да се разширява.
В нашия физичен космос са наблюдавани само четири големи дименсии,а физичната теория трябва да даде обяснение,но нищо не предотвратява теорията от забъркването на повече от четири дименсии.В случая на струнната теория съгласуваността изисква космическото време да има 10,11,26 дименсии.Конфликтът между наблюдение и теория е решен като се правят ненаблюдаеми измерения компактни измерения. Нашите умове трудно визуализират големите измерения защото можем да се движим само в три пространствени измерения. Дори тогава ни виждаме само 2+1 измерения;зрението в три измерения би позволило да се виждат едновременно всички страни (с изключение на отвътре) на обекта. Един начин за справянето с това ограничение не е опита да се видят големите измерения като цяло,а просто да се мисли за тях като екстра числа в уравненията,които описват начина по който е устроен светът. Това отваря много въпроси дали тези „екстра числа“ могат да бъдат изследвани директно в някакъв експеримент(който трябва да покаже различни резултати в 1,2 или 2+1 измерения на човешките учени). Това,поред,повдига въпроси дали моделите,на които се осланят на подобно абстрактно моделиране ( и потенциално невъзможно огромна експериментална апаратура) могат да бъдат разглеждани „научно“.6-измерните Калаби-Уау форми могат да дадат обяснение за допълнителните измерения изисквани от суперструнната теория. Суперструнната теория не е първата теория предполагаща екстра пространствените измерения.Модерната струнна теория осланяща се на математиката на огъването,възли и топология,които се развиват мащабно след Калуза и Клайн,и правят физическите теории опиращи се на екстра измеренията по-правдоподобни.
Теоретичните физици са затруднени от съществуването на пет самостоятелни суперструнни теории. Това е било решено от втората суперструнна революция през 90-те през които петте суперструнни теории са схващани при определени граници на една основна теория:М-теорията.

Второ обяснение за струните