Исследовательская работа

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Воронежской области «Россошанский химико-механический техникум» Научно­исследовательская работа " Что нам может дать в будущем теория струн " Выполнил: студент 2 курса Черныш Сергей Руководитель: мастер п/о Хатмуллина Анастасия Юрьевна Россошь 2018г. Оглавление Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Воронежской области «Россошанский химико-механический техникум»............1 Введение....................................................................................................................3 I. Вселенная состоит из вибрирующих нитей энергии........................................3 II. Квантовые струны перемещаются в пространстве.........................................6 III. Проблемы теории струн..................................................................................10 IV. Что же может дать человечеству теория струн?.........................................10 Заключение..............................................................................................................11 Список литературы.................................................................................................12 2 Введение Наука стала популярной. Люди спешат посмотреть «Теорию большого взрыва»   и «Интерстеллар».   В интернете   куча   репостов   с фотографиями Марса. Шутки про кота Шредингера ведут себя, как кот Шредингера — они то ли есть, то ли нет. Не понимать основы науки стыдно, а понимать — интересно. Разобраться во всем непросто. Как бывает: услышал о чем­то, не понял, полез   искать   в Википедию.   Открыл —   а там   куча   непонятных   формул. Посмотрел, закрыл. Ничего не понял. Я месяцами листал такие страницы, пока не разобрался в материале для этой работы. Цель:  исследование работ ведущих ученых по теории струн, а также узнать, что же эта самая теория может дать человечеству в будущем. Задачи:   сформулировать основные положения теории струн;  выявить проблемы теории.  I. Вселенная состоит из вибрирующих нитей энергии Человечество всегда волновал вопрос "А что же было до?". Наверняка каждый   из   вас   задумывался,   откуда   же   произошел   человек?   А   Земля, Галактики, Вселенная наконец?   Какова же истинная природа Вселенной? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, люди придумывали выдумки, чтобы описать этот мир. Начнем с самой первой. В школе мы учили, что материя состоит из атомов, а атомы — из ядер, вокруг которых вращаются электроны. Примерно так же планеты вращаются вокруг солнца, поэтому это нам представить легко. Затем атом расщепили на элементарные частицы, и представить строение вселенной стало сложнее. В масштабе   частиц   действуют   другие   законы,   и   найти   аналогию   из   жизни получается не всегда. Физика стала абстрактной и запутанной. Но следующий шаг теоретической физики вернул ощущение реальности. Теория струн описала мир в понятиях, которые снова можно представить, а значит, легче понять и запомнить. До   теории   струн   элементарные   частицы   считали   точками   — безразмерными   формами   с   определенными   свойствами.   Теория   струн описывает их как нити энергии, у которых один размер все же есть — длина. Эти одномерные нити назвали квантовыми струнами, которые перемещаются в 3 11­ти измерениях. Квантовые струны очень малы, их длина порядка 10–33 см. Это в сто миллионов миллиардов раз меньше протонов, которых сталкивают на Большом адронном коллайдере. Для подобных экспериментов со струнами пришлось бы построить ускоритель размером с галактику. Они настолько малы, что мы не можем   их   увидеть.   Подумайте   об   этом.   Что   такое   видеть?   Чтобы   что­то увидеть нам нужен свет, который, отталкиваясь от предмета, попадает в наши глаза.   Волна   содержит   информацию   об   объекте,   которую   наш   мозг воспринимает как изображение. Поэтому вы не сможете ничего увидеть без взаимодействия   со   светом.   Пока   не   нашли   способ   обнаружить   струны,   но благодаря математике мы можем предположить некоторые их свойства.  Квантовые   струны   бывают   открытыми   и закрытыми.   У открытых   концы свободные, у закрытых замыкаются друг на друга, образуя петли. Струны постоянно   «открываются»   и «закрываются»,   соединяются   с другими струнами и распадаются на более мелкие.  Квантовые   струны   натянуты.   Натяжение   в пространстве   происходит благодаря разнице энергии: у закрытых струн между сомкнутыми концами, у открытых —   между   концами   струн   и пустотой.   Эту   пустоту   физики называют   двумерными   гранями   измерений,   или   бранами —   от слова мембрана. 10–33сантиметров —   минимально   возможный   размер   объекта во вселенной. Его называют планковской длиной Мы состоим из квантовых струн  4  Квантовые   струны   вибрируют.   Это   колебания,   похожие   на колебания струн   балалайки,   с равномерными   волнами   и целым   числом   минимумов и максимумов.   При   вибрации   квантовая   струна   не издает   звука, в масштабах элементарных частиц нечему передавать звуковые колебания. Она   сама   становится   частицей:   вибрирует   с одной   частотой —   кварк, с другой — глюон, с третьей — фотон. Поэтому квантовая струна — это единый строительный элемент, «кирпичик» вселенной. Вселенную   принято   изображать   как   космос   и звезды,   но это   и наша планета, и мы с вами, и текст на экране, и ягоды в лесу. Схема струнных колебаний. При любой частоте все волны одинаковые, их количество целое: одна, две и три. Подмосковье, 2016 год. Земляники много — больше только комаров. Они тоже из струн. 5 А космос — он где­то там. Вернемся к космосу. Итак,   в основе   вселенной —   квантовые   струны,   одномерные   нити энергии,   которые   вибрируют,   меняют   размер   и форму   и обмениваются энергией с другими струнами. Но это не все. II. Квантовые струны перемещаются в пространстве. И пространство   в масштабах   струн —   это   самая   любопытная   часть теории. Квантовые струны перемещаются в 11 измерениях. Все началось с Альберта Эйнштейна. Его открытия показали, что время относительно,   и объединили   его   с пространством   в единый   простанственно­ временной континуум. Работы Эйнштейна объяснили гравитацию, движение планет   и возникновение   черных   дыр.   Кроме   того,   они   вдохновили современников на новые открытия. Уравнения   Общей   теории   относительности   Эйнштейн   опубликовал в 1915­16 годах,   а уже   в 1919­м   польский   математик   Теодор   Калуца попытался применить его расчеты к теории электромагнитного поля.  Но возник вопрос: если эйнштейновская гравитация искривляет четыре измерения   пространства­времени,   что   искривляют   электромагнитные   силы? Вера   в Эйнштейна   была   сильна,   и Калуца   не усомнился   в том,   что   его уравнения   опишут   электромагнетизм.   Вместо   этого   он предположил,   что электромагнитные   силы   искривляют   дополнительное,   пятое   измерение. Эйнштейну   идея   пришлась   по душе,   но проверки   экспериментами   теория не прошла и была забыта — до 1960­х. Первые   уравнения   теории   струн   давали   странные   результаты.   В них появлялись тахионы — частицы с отрицательной массой, которые двигались быстрее скорости света. Здесь и пригодилась идея Калуцы о многомерности вселенной. Правда, пяти измерений не хватило, как не хватило шести, семи или десяти. Математика первой теории струн обретала смысл, только если в нашей   вселенной   26 измерений!   Более   поздним   теориям   хватило   десяти, а в современной их одиннадцать — десять пространственных и время.  Но если   так,   почему   мы не видим   дополнительные   семь   измерений? Ответ   прост —   они   слишком   малы.   Издалека   объемный   предмет   будет казаться   плоским:   водопроводная   труба   покажется   лентой,   а воздушный шарик —   кругом.   Даже   если бы   мы могли   увидеть   объекты   в других измерениях,   мы бы   не рассмотрели   их многомерность.   Этот   эффект   ученые называют компактификацией.  6 Дополнительные   измерения   свернуты   в неуловимо   малые   формы пространства­времени —   их называют   простанствами   Калаби­Яу.   Издалека выглядит плоским. Семь дополнительных измерений мы можем представить только в виде математических моделей. Это фантазии, которые построены на известных нам свойствах пространства и времени. При добавлении третьего измерения мир становится   объемным,   и мы можем   обойти   препятствие.   Возможно, по тому же   принципу   корректно   добавить   остальные   семь   измерений — и тогда по ним можно обогнуть пространство­время и попасть в любую точку любой вселенной в любой момент времени.  26   измерений   во вселенной   по первому   варианту   теории   струн — бозонному. Сейчас его считают неактуальным. 7 У линии только одно измерение — длина. Это двумерный человечек, у него есть длина и ширина. 8 Воздушный шарик объемный, у него есть третье измерение — высота. Но для двумерного человечка он выглядит линией. Как   двумерный   человечек   не может   представить   многомерность,   так и мы не можем представить все измерения вселенной. По такой   модели   квантовые   струны   путешествуют   всегда   и везде, а значит, одни и те же струны кодируют свойства всех возможных вселенных от их рождения   и до конца   времен.   К сожалению,   наш   воздушный   шарик плоский.   Наш   мир —   лишь   четырехмерная   проекция   одиннадцатимерной вселенной   на видимые   масштабы   пространства­времени,   и мы не можем последовать за струнами.  9 III. Проблемы теории струн 1. Невозможность экспериментального доказательства.  В   ТС  речь   идет   о   таких   микроскопических   объектах,   что   если   атом расширить   до   размеров   вселенной,   то   та   самая   струна   будет   размером   с дерево.   Даже   в   ближайшем   обозримом   будущем   не   предвидится   создания таких инструментов, которые напрямую смогут подтвердить ТС. 2. Проблема ландшафта.  В двух словах эта проблема заключается в том, что в ТС по расчетам должно   быть   10   пространственных   измерений.   Существует   огромное количество (возможно даже бесконечное) способов перевести их в 4­ехмерное и каждый из вариантов может быть похож на наш мир, а может и отличаться. 3. Сложнейшая математика.  Математические формулы, используемые в ТС, настолько сложные, что некоторые разделы абстрактной математики были созданы только для того, чтобы   ее   описать,   а   все   вычисления   являются   приблизительными,   что   в конечном счете приводит к большим неточностям. 4. Суперсимметричные частицы.  Одним  из  главных  постулатов   ТС  является  суперсимметрия.  Ее суть заключается   в   том,   что   у   каждой   известной   частицы   есть   частица суперпартнер, и по всем расчетам такие частицы должны обладать большой массой. Поиском этих частиц в данный момент занимается Большой адронный коллайдер,  он   должен   либо   найти   эти   частицы,  либо   заставить   теоретиков задуматься о состоятельности данной теории. IV. Что же может дать человечеству теория струн? Когда­нибудь мы увидим Большой Взрыв. Когда­нибудь мы рассчитаем частоту   вибраций   струн   и организацию   дополнительных   измерений   в нашей вселенной. Тогда мы узнаем о ней абсолютно все и сможем увидеть Большой Взрыв   или   слетать   на Альфу   Центавра.   Но пока   это   невозможно —   нет никаких намеков, на что опереться в расчетах, и найти нужные цифры можно только   перебором.   Математики   подсчитали,   что   перебрать   придется 10500 вариантов. Теория зашла в тупик. И все же теория струн еще способна объяснить природу вселенной. Для этого она должна связать все другие теории, стать теорией всего. Ученые ищут альтернативную теорию, способную объединить все теории в одну. Такую теорию назвали единой теорией поля, или теорией всего. 10 Теория  струн в этой роли  выглядит  привлекательнее  других,  так  как сходу решает главное противоречие. Квантовые струны вибрируют, поэтому расстояние между ними больше нуля, и невозможных результатов вычислений для   гравитона   удается   избежать.   Да и сам   гравитон   неплохо   вписывается в концепцию струн.  Но теория струн не доказана экспериментами, ее достижения остаются  на бумаге. Тем удивительнее тот факт, что за 40 лет от нее не отказались —  настолько велик ее потенциал. Возможно, человечество еще не готово к  такому рывку в науке. Мир, да и сама жизнь нашем понимании это нечто  узконаправленное. В нашем понимании жизнь ­ это биологическая константа.  Время ­ это то, что происходить здесь и сейчас. Но что если мы ошибаемся?  Наше человеческое сознание мешает нам понять многие вещи. Ведь как  известно потенциал мозга человека используется максимум лишь на 10%. Наш  мир сильно отличается от того, к чему нас приучил здравый смысл. Будем   надеяться,   что   наши   потомки,   наконец   разгадают   эти   загадки появления всего. Заключение В   заключении   хочется   сказать,   что   теория   струн   многими   учеными считается ненаучной гипотезой, но в тоже время, эта одна из немногих теорий, которая может хоть как­то объединить и объяснить свойства нашего мира в одной теории. С теорией струн мы можем попытаться ответить на пару вопросов о квантовой   гравитации,   десятилетиями   озадачивающие   физиков.   такие   как: устройство   черных   дыр   или   парадоксы   информации.   Теория   струн   может направить   нас   в   правильном   направлении.   В   этом   смысле   теория   струн становится   драгоценным   инструментом   для   теоретических   физиков   и помогает   им   открыть   новые   аспекты   квантового   мира   и   прекрасной математики. Так что, может быть, теория струн и не является теорией всего, но как и история частицы­точки, она может быть очень полезной. Мы еще не знаем,   какова   истинная   природа   реальности,   но   мы   будем   "придумывать истории", чтобы попытаться выяснить, пока однажды, надеемся, мы узнаем. 11 Список литературы 1. Грин Б. Элегантная вселенная / Б.Грин, 2011 2. Кетов С.В. Введение в квантовую теорию струн и суперструн / С.В.  Кетов, 1990 3. Хокинг С., Млодинов Л. The Grand Design / Великий замысел /  С.  Хокинг, Л. Млодинов, 2010 4. Шинтан Я., Надис С. Теория струн и скрытые измерения Вселенной / Я.  Шинтан, С.Надис, 2016 5. http://www.shapovalov.org/publ/7­1­0­151 12