Get best of the week

A evolução da teoria das cordas para a teoria M

Bom dia, querida habrasociety. Após minha longa ausência, decidi mais uma vez pegar o teclado da caneta . Hoje tentaremos traçar a evolução da teoria das cordas para a teoria M e encontrar respostas para as perguntas: o que levou os cientistas a desenvolver essa teoria, quais problemas eles tiveram que enfrentar e quais as melhores mentes da humanidade estão quebrando suas cabeças agora.

Teoria das cordas


Em Habré já havia um artigo sobre a teoria das cordas. Se em breve, em 1968, os cientistas notaram que uma função matemática chamada função beta de Euler descreve idealmente as propriedades das partículas que participam da chamada interação forte - uma das quatro interações fundamentais no Universo.

Durante as verificações posteriores, esse fato foi confirmado, foi interessante que anteriormente essa função fosse usada principalmente na descrição de vibrações de cordas tensionadas.

À vista de tudo isso, os pesquisadores fizeram uma pergunta razoável: “Mas e se partículas elementares não forem partículas, mas cordas microscópicas mais finas, e o que observamos na prática não for a trajetória do movimento da partícula, mas a trajetória da vibração que passa ao longo dessa corda? " Além disso, a natureza da vibração também indica qual partícula está à nossa frente: um tipo de vibração ( modo vibracional ) é uma partícula, outro tipo é outro.

Os primeiros estudos mostraram que a teoria das cordas alcançou um sucesso significativo na descrição dos fenômenos observados. Um dos modos de vibração das cordas pode ser identificado como um graviton. Outros modos vibracionais exibem as propriedades de fótons e glúons.

Por um bom motivo, parecia que a teoria das cordas era capaz de reduzir todas as quatro interações fundamentais do Universo a uma - a vibração de uma corda unidimensional com a correspondente transferência de energia. Além disso, a teoria das cordas também nos permite explicar as constantes básicas do microworld do ponto de vista matemático. Ficou claro por que, por exemplo, as massas de partículas elementares são exatamente o que são.

Além disso, a teoria das cordas deu esperança para a combinação da relatividade geral (teoria geral da relatividade) e da mecânica quântica dentro da estrutura de uma teoria. Nos cálculos, verificou-se que as vibrações naturais das cordas são capazes de amortecer e equilibrar as flutuações quânticas e, assim, eliminar as perturbações no nível microscópico, devido às quais GR e mecânica quântica não podiam ser feitas amigas.

No entanto, em pesquisas e testes mais aprofundados da teoria, sérias contradições das consequências com dados experimentais foram reveladas. Por exemplo, na teoria das cordas, uma partícula estava necessariamente presente - um táquion (cujo quadrado de massa é menor que zero e se move a uma velocidade maior que a velocidade da luz) - como um dos modos vibracionais da corda, o que implicava um estado instável da corda e mostrava claramente que a teoria das cordas requer modificação.

Teoria das supercordas


Em 1971, uma teoria das cordas modificada foi criada chamada " Teoria das Super Cordas ".

Para entender as modificações, vamos tentar lidar com uma característica como spin. Existe uma versão comum de explicar a essência do giro "nos dedos": um giro é o número de rotações em torno de seu eixo que uma partícula precisa fazer para parecer a mesma do começo. Para rotações dentro de uma unidade, tudo parece estar claro (qualquer objeto de forma irregular pode receber um "giro" igual a um) e tentar imaginar a forma de um objeto que precisa ser rolado pelo eixo duas vezes para que pareça o mesmo que no início. ilustração à direita. Ele descreve um motor de quatro tempos, que retorna ao seu estado original quando o eixo de manivela é girado em 720 °, que é uma espécie de análogo de um giro meio inteiro.

No momento, acredita-se que as partículas elementares possam ter apenas giros de meio inteiro ou número inteiro. Bósons são aquelas partículas que possuem um spin inteiro. Os férmions são partículas nas quais o spin é semi-integral. Com base nisso, a primeira versão da teoria das cordas descreveu apenas os bósons, razão pela qual também foi chamada de " teoria das cordas bosônicas ". A teoria das supercordas incluía férmions - com essa abordagem, o problema da presença de taquiões, assim como muitas outras contradições da teoria, foram resolvidos!

Mas havia alguns novos problemas. Na teoria das supercordas, descobriu-se que para cada bóson deve existir um férmion correspondente, ou seja, uma certa simetria deve existir entre bósons e férmions. Esse tipo de simetria foi previsto anteriormente - sob o nome " supersimetria "" Mas experimentalmente, a existência de férmions supersimétricos não foi confirmada. Isso foi explicado pelo fato de que, de acordo com os cálculos, os férmions supersimétricos deveriam ter uma massa enorme para o microworld e, portanto, em condições normais, eles não podem ser obtidos. Para registrá-las, são necessárias enormes energias, que são alcançadas quando as partículas de luz colidem quase na velocidade da luz.

Mesmo agora, eles estão tentando registrar férmions supersimétricos em experimentos no Large Hadron Collider, mas até agora sem sucesso.

Universo Multidimensional


Ao mesmo tempo, as equações da teoria das supercordas não queriam ser consistentes com a teoria quântica, resultando em unidades de probabilidade negativas ou maiores.

Para entender os pré-requisitos para o desenvolvimento posterior da teoria, fazemos uma pequena excursão à história. Em 1919, o matemático alemão Kaluza enviou a Einstein uma carta afirmando sua teoria na qual ele assumiu que, na realidade, o universo pode ser quadridimensional no espaço e, como evidência de suas palavras, citou seus cálculos, dos quais se descobriu que, sob essa condição, a GTR é maravilhosa consistente com a teoria do campo eletromagnético de Maxwell, que é impossível de alcançar no universo tridimensional comum. Os contemporâneos ridicularizaram a teoria e logo Einstein, inicialmente interessado na teoria, ficou desiludido com ela.

Em 1926, o físico Oscar Klein também se interessou pelo trabalho de Kaluza e melhorou seu modelo. De acordo com Klein, descobriu-se que uma dimensão adicional pode realmente existir, mas é de uma forma "reduzida" e fixada em si mesma. Além disso, a quarta dimensão é colapsada com muita força - para o tamanho de partículas elementares, por isso não percebemos. A teoria foi chamada mundo tridimensional de Kaluza - Klein (quatro dimensões no espaço + tempo), mas também permaneceu no esquecimento até os anos 80 do século XX.

Os cientistas, na tentativa de explicar as inconsistências da teoria das cordas com a mecânica quântica, sugeriram que os problemas nos cálculos eram devidos ao fato de que as cordas da nossa teoria podem flutuar em apenas três direções do nosso universo. Agora, se as cadeias pudessem oscilar em quatro dimensões ... Os

cálculos mostraram que, neste caso, os problemas permanecem, mas o número de contradições nas equações diminui. Os pesquisadores continuaram a aumentar o número de medições até introduzirem até 9 medições no espaço, nas quais, finalmente, a teoria das supercordas convergiu com a mecânica quântica e a GR. Esse momento entrou na história como “a primeira revolução na teoria das cordas" Exatamente a partir desse momento, começaram a ser ouvidas exclamações de que realmente vivemos em um universo de dez dimensões - uma dimensão no tempo, três dimensões familiares para nós são empregadas em dimensões cósmicas, e as seis restantes são minimizadas em escala microscópica e, portanto, invisíveis.

Do ponto de vista prático, atualmente não é possível confirmar nem refutar experimentalmente, pois estamos falando de pequenas escalas de cordas e medições complicadas que não estão disponíveis para fixação em equipamentos modernos.

Com o desenvolvimento, os cientistas conseguiram, em teoria, estabelecer uma visão geral de seis dimensões em colapso, nas quais nosso mundo permaneceu como está. Essa visualização corresponde a objetos matemáticos de um grupo chamado " coletores de Calabi-Yau"(A direita.). Mas isso não trouxe conseqüências promissoras, embora a forma geral desses objetos tenha sido calculada, mas a forma exata, como se viu, não pode ser estabelecida sem experimentos. E, sem encontrar a forma exata do espaço Calabi-Yau do nosso Universo, toda a teoria das supercordas foi essencialmente reduzida à previsão do futuro, com base no café.

No entanto, o trabalho continuou e, gradualmente, os cientistas conseguiram isolar cinco teorias mais ou menos plausíveis da massa total de hipóteses que poderiam descrever nosso Universo. Essas são cinco teorias conhecidas de supercordas, e todas reivindicaram igualmente o título da única verdadeira e, ao mesmo tempo, pareciam incompatíveis entre si, o que causou grande preocupação entre os cientistas.

Teoria M


Somente em meados dos anos 90 do século passado ocorreu a chamada " segunda revolução na teoria das cordas ". Edward Witten levantou a hipótese de que várias teorias de supercordas são diferentes casos limitantes da ainda não desenvolvida teoria M de 11 dimensões.

A introdução de outra dimensão como um todo não viola a conexão entre a teoria quântica e a relatividade geral e, além disso, remove muitos problemas acumulados na teoria das supercordas. Incluir com sucesso cruza todas as cinco teorias de supercordas em uma única teoria M, que hoje é, sem exagero, a maior conquista dos físicos no conhecimento do Universo.

De acordo com a teoria M, verifica-se que a base do Universo não são apenas cordas unidimensionais. Pode haver análogos bidimensionais de strings - membranas e tridimensionais e quadridimensionais ... Essas construções foram chamadas de branas (uma string - 1-brana, uma membrana - 2-brane e assim por diante). A teoria M opera em branas bidimensionais e tridimensionais, mas mesmo a teoria básica das branas ainda está em desenvolvimento. A existência de branas não é confirmada experimentalmente - nesta fase do desenvolvimento da teoria, acredita-se que as branas são fundamentalmente inobserváveis.

Por tudo isso, a teoria M com baixas energias é aproximada pela supergravidade em onze dimensões. A conexão com a gravidade faz da teoria M um candidato para se tornar uma teoria de conexão entre todas as interações fundamentais no Universo, ou em outras palavras - "A Teoria Unificada de Tudo".

No entanto, o problema com a forma final do espaço Calabi-Yau na teoria M ainda não foi resolvido - em uma escala macroscópica, a teoria deve ser reduzida à física de partículas elementares bem conhecida e muito bem testada. Mas, como se vê, existem pelo menos 10.100 , ou mesmo 10.500 , ou mesmo métodos infinitos de tal redução . Além disso, cada uma das teorias quadridimensionais resultantes descreve seu próprio mundo, que pode ser semelhante à realidade ou diferir fundamentalmente dele.

Tudo isso se deve ao fato de as propriedades das partículas serem consideradas como um método de cordas vibratórias, e os possíveis métodos de cordas vibratórias dependem da geometria exata de medições adicionais. As equações aproximadas existentes satisfazem um grande número de geometrias diferentes. Ou seja, essas equações seriam válidas não apenas em nosso mundo, mas também em um grande número de outros mundos, e possivelmente em qualquer mundo. Se essas equações aproximadas fossem finais, a teoria poderia ser considerada não-falsificável, de acordo com Popper, ou seja, uma teoria não científica. E assim - encontrar as equações exatas ainda pode colocá-lo em seu lugar.

No momento, o desenvolvimento da teoria M é complicado pelo fato de as equações que a descrevem serem tão complexas que os cientistas operam principalmente apenas em suas formas aproximadas, o que não leva a um aumento na precisão dos resultados. Além disso, surge frequentemente uma situação que nem os métodos matemáticos correspondentes foram criados para resolver essas equações, o que também cria problemas significativos. Recentemente, onde a física pára, de fato, muitas vezes é a matemática que pára. Alguns cientistas dizem que a teoria M só receberá um desenvolvimento notável se ocorrer um "avanço matemático".

A teoria das cordas e, em particular, a teoria M, hoje é uma das áreas de desenvolvimento mais dinâmico da física moderna. E embora alguns cientistas, devido a problemas fundamentais, sejam bastante céticos quanto ao fato de que essa teoria acabará por levar a uma teoria física que descreve nosso mundo real. Uma parte significativa dos pesquisadores não desiste de suas esperanças e acredita que um dia a teoria M tomará forma em uma teoria unificada de tudo, elegante e matematicamente elegante.

Espero que este artigo não o deixe indiferente, e ficarei muito feliz se você decidir que não perdeu tempo lendo.

More articles:


All Articles