Почему М-теория — главный кандидат на Теорию всего  



Почему М-теория — главный кандидат на Теорию всего +12

Мать всех теорий струн прошла проверку, которую пока не смогла пройти ни одна из теорий квантовой гравитации



М-теория сводит в единую математическую структуру все пять непротиворечивых версий теории струн (а также описание частиц под названием супергравитация). В различных физических условиях она выглядит как каждая из этих теорий.

Сложно быть «теорией всего». У ТВ есть сложная задача – впихнуть гравитацию в квантовые законы природы таким образом, чтобы на крупных масштабах гравитация выглядела, как кривизна ткани пространства-времени, которую Альберт Эйнштейн описывал в своей общей теории относительности. Каким-то образом кривизна пространства-времени возникает как общий знаменатель квантующихся единиц гравитационной энергии – частиц, известных, как гравитоны. Но наивные попытки подсчитать взаимодействие гравитонов приводят к бессмысленным бесконечностям, что говорит о необходимости более глубокого понимания гравитации.

Теорию струн, или, что технически более правильно, м-теорию, часто описывают, как ведущего кандидата на ТВ в нашей Вселенной. Но ей нет никаких эмпирических свидетельств, как нет их ни для какой другой альтернативной идеи по поводу того, как гравитация может объединиться со всеми остальными фундаментальными силами. Почему же м-теории дают преимущество над другими?

Эта теория, как известно, утверждает, что гравитоны, как и электроны, фотоны и всё остальное, являются не точечными частицами, а неуловимо крохотными резиночками энергии, или «струнами», вибрирующими разными способами. Интерес к теории струн резко возрос в середине 1980-х, когда физики поняли, что она даёт математически непротиворечивое описание квантовой гравитации. Но пять известных версий теории были «пертурбационными», то есть, переставали работать в определённых условиях. Теоретики могли подсчитать, что происходит, когда две гравитонные струны сталкиваются на высоких энергиях, но оказывались бессильны перед слиянием гравитонов настолько экстремальным, что оно порождает чёрную дыру.

Затем в 1995 году физик Эдвард Уиттен открыл мать всех теорий струн. Он обнаружил различные признаки того, что пертурбационные теории струн совмещаются в одну связную непертурбационную теорию, которую он назвал «М-теорией». М-теория в различных физических контекстах выглядит, как одна из теорий струн, но у неё нет ограничений по условиям – а это важное требование для теории всего. Или, по крайней мере, так говорили вычисления Уиттена. «Уиттен мог привести свои аргументы, не записывая уравнения М-теории, что само по себе впечатляет, но оставляет много вопросов без ответов», — объяснил Дэвид Симмонс-Даффин, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института.

Очередной взрыв исследований случился два года спустя, когда физик Хуан Малдасена открыл AdS/CFT-соответствие: реализацию голографического принципа, объединяющего гравитацию в регионе пространства-времени, известном, как «пространство анти-де Ситтера» (AdS), с квантовым описанием частиц (конформной теорией поля, CFT), движущихся по границе этого региона. AdS/CFT даёт полное определение М-теории для особого случая геометрии пространства-времени AdS, наполненного отрицательной энергией, заставляющей его искривляться не так, как наша Вселенная. Для таких вымышленных миров физики могут описывать процессы при любых энергиях, включая и формирование и испарение чёрных дыр. 16000 работ, упоминавших Малдасену за последние 20 лет, в основном пытаются провести эти вычисления с тем, чтобы лучше понять AdS/CFT и квантовую гравитацию.

Эта простая последовательность событий привела большинство экспертов к выводу о том, что М-теория является ведущим кандидатом на ТВ, даже несмотря на то, что её точное определение во Вселенной, похожей на нашу, остаётся неизвестным. Корректна ли теория – вопрос отдельный. Предлагаемые ею струны – как и дополнительные свёрнутые измерения, в которых эти струны должны вибрировать – в 10 миллионов миллиардов раз меньше разрешения таких экспериментов, как Большой адронный коллайдер. А некоторых макроскопических признаков теории, которые можно было бы уже увидеть, вроде космических струн или суперсимметрии, обнаружено не было.

У других же версий ТВ наблюдается множество различных технических проблем, и ни одна из них пока не повторила математической непротиворечивости теории струн – как расчёт такого, например, процесса, как рассеяние гравитонов друг на друге. Согласно Симмонсу-Даффину, ни один из соперников не смог закончить первый шаг, или первую «квантовую коррекцию» этого вычисления. Один философ даже утверждал, что статус теории струн, как единственной из известных непротиворечивых теорий, считается доказательством её истинности.

Среди дальних соперников имеются асимптотически безопасная гравитация, теория Е8 [она же "исключительно простая теория всего"], некоммутативная геометрия и причинные фермионные системы. Асимптотически безопасная гравитация, к примеру, говорит о том, что сила гравитации может меняться при переходе к меньшим масштабам так, чтобы помочь избежать бесконечностей в расчётах. Но пока ещё никому не удалось заставить этот трюк работать.

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (20):

  1. Shkaff
    /#10667829

    Думается, М-теория действительно продвинулась дальше всех, вот только сейчас находится в застое. Самая большая проблема — она объясняет то, что мы наблюдаем в физике, но и еще нескончаемое множество альтернативных вселенных с другой физикой (путем замены параметров в теории), и абсолютно непонятно, каким образом выбрать правильную модель. То есть, она обладает нулевой предсказательной силой, и совершенно бесполезна в настоящем состоянии, хоть и очень элегантная.
    Вот тут еще хороший пост о разных проблемах теории струн.
    И не зря сейчас почти никто ей не занимается, а некоторые известные струнные теоретики сменили сферу деятельности.

    • Eagle_NN
      /#10668439 / +1

      Все верно. Эта теория, возможно и верна, но она ни коим образом не помогает нам понять наш мир. А ведь в этом и есть смысл разрабатывать любую теорию.
      Чтобы было понятнее:
      Представим нашу вселенную точкой на плоскости. У каждой точки есть конкретные координаты x и y. Именно они описывают свойства этой точки (ее расположение).
      М-теория гласит что в таком случае у вселенной может быть координата X и Y. При этом нет никакой возможности узнать конкретные значения X и Y.

      Т.е. они описывает и нашу вселенную и все другие, включая полностью ортогональные нам без всякого шанса сделать различия.

    • warlock13
      /#10669101

      Как раз одним из достоинств теории струн (часто так называют M-теорию) является "скончаемость" (то есть конечность) альтернативных вселенных с другой физикой. Поэтому в принципе вполне возможно выбрать нужную вселенную, и получить теорию без подгоночных параметров.

      • Shkaff
        /#10669107 / +1

        В моем комменте "нескончаемое" было эпитетом, а не характеристикой (иначе сказал бы бесконечное). При таком количестве вариантов, как в М-теории, для физики в общем все равно, их бесконечно или просто очень-очень много.

    • kauri_39
      /#10669569

      И это доказывает, что проблема в ошибочном представлении механизма гравитации на качественном уровне. Это не обмен гравитонами по примеру других взаимодействий. И нет нужды в дополнительных пространственных измерениях, свёрнутых в нашем пространстве. Её механизм работает иначе.
      Теоретики квантовой гравитации хотят получить на крупных масштабах ОТО, но ни Эйнштейн, ни Ньютон не знали механизма гравитации. Возможно, что теории Ньютона и Эйнштейна одинаково неполны, ведь они требуют для описания вращений галактик и кластеров дополнительной тёмной материи, пятикратного превышающей по массе барионную материю, а частицы ТМ до сих пор не найдены.
      Ньютон хотя бы пытался представить механизм гравитации на "квантовом уровне". Он предполагал, что плотность упругого эфира в телах меньше, чем вне тел, и эфир, расширяясь, придавливает тела друг к другу в соответствии с открытым им законом ("Оптика", 3 книга, 21 вопрос). То есть кванты этой среды, эфироны, должны поглощаться материей тел, что и создаёт приток к телам более плотного эфира из окружающего пространства. Вот этот механизм гравитации и нужно бы проработать современным теоретикам.
      И вовсе необязательно представлять в нём эфир как мельчайшие твёрдые шарики, быстро летящие в разные стороны. Так представлял его Лесаж для своей "теневой" гравитации. Но Максвелл, сам сторонник эфира, математически доказал, что такой механизм не годится: эфироны (лесажёны) должны ударять в тела с такой силой, что вызовут расплавление тел. Поэтому плотная среда должна быть иной, проявляющей себя как физический вакуум в микромасштабах и как космический вакуум в космологических масштабах. Её элементы, кванты, должны быть взаимно сжатыми.


      Мы немного поспорили на эту тему с Ником Горькавым, физиком-теоретиком, автором оригинальной теории пульсирующей Вселенной: https://don-beaver.livejournal.com/193726.html
      Его главный аргумент против "поглотительного" механизма гравитации таков: "Вы нарушаете азы физики: для одинакового ускорения у вас плотность эфирного потока должна быть гораздо больше плотности любых тел. А это значит, что она должна быть как, например, ртуть. Мы бы её заметили. А если эфир легче, к примеру, свинца, то ускорение тел будет зависеть от их массы. Возьмите пылесос с потоком легкого воздуха — он хорошо всасывает бумагу и плохо — гайки."
      От продолжения спора он отказался, и вскоре меня забанил. А как вы думаете, можно ли заметить высокую плотность среды (эфира, вакуума), если она стремится к расширению, а не к сжатию, как гравитирующая материя?
      Я полагаю, что заметить её можно именно во влиянии на свободно падающие в гравполе тела. Их падение с одинаковым ускорением — вне зависимости от их собственной плотности — вызывается средой, текущей с тем же ускорением среды в массивное тело, что и является гравполем этого тела. Или же её влияние замечается в периодическом колебании зеркал гравитационных интерферометров, ведь не пустота же вызывает их колебание.
      Для вывода поглощённых материей квантов пространства следует ввести 5 измерение, но не пространственное или временное, а масштабное, о его сущности я упоминал в первой своей публикации. Всё равно же надо как-то объяснять и природу тёмной энергии — примерное постоянство плотности энергии космического вакуума при расширении его вселенского объёма. Источником возобновления плотности этой среды как раз и служит 5 измерение.
      Может, у этого механизма гравитации есть какие-то принципиальные логические изъяны? Что мешает теоретикам обратить на него внимание при фактическом кризисе струнных теорий?

    • sotnikdv
      /#10669973

      Она совершенно ничего не обьясняет. Ввиду проблемы ландшафта она в состоянии обьяснить любой наблюдаемый факт (из области применимости, конечно). Т.е. никакой факт не противоречит теории и она нефальсифицируема по своей сути.


      Любой противоречащий факт приводит к тому, что, упрощенно, теоретики говорят, что окей, значит вот тут нужно параметр поменять.


      По-сути упрощенная модель этой модели это большая табличка с условиями и выводами. Каждый новый факт заносится в табличку.
      Не фальсифицируема и предсказаний не дает. Ландшафт — это аналог таблички фактов, добротно обфусцированный.

  2. dioneo
    /#10667849

    — Я хотя бы не выдумываю 26 измерений, чтобы свести задачу к математике.
    — Я их не выдумывал, они существуют!
    — В какой это такой Вселенной?
    — Во всех, в этом-то и вся суть!

    • dioneo
      /#10667879 / +2

      Число вселенных, которые можно вывести из М-теории превышает число протонов в наблюдаемой нами Вселенной.

      • Victor_koly
        /#10668399

        Это не число Вселенных, а число возможных комбинаций её свойств. В Стандартной модели 18 свободных параметров (без введения любых теорий о гравитации) и 30 лет назад они не были ещё все точно известны. Фактически кол-во вариантов Вселенной — «бесконечность в степени 18».
        Правда там есть 2 проблемы:
        1. У этих параметров все же есть хотя бы несколько логических ограничений на соотношение некоторых из них (я так предполагаю).
        2. По теории Великого объединения константы зависят от масштаба энергии (включая часть из этих 18 параметров) в виде некоторых формул (которые должны в недоступном для эксперимента на ускорителях стремиться к одинаковому типу зависимости).

        • dioneo
          /#10668687

          Тогда не количество, а мощность. :)
          Число вариантов компактификации дополнительных измерений не менее 10 в 100 степени. А выбрать вариант, который бы соответствовал «нашей» Стандартной модели на текущий момент можно только полным перебором «ландшафтов». И вот тут мы понимаем, что протонов нам явно не хватит, чтобы посчитать.

          • Victor_koly
            /#10669531

            Так, сейчас прикину. Это просто «C из 10 по 3»? Нет, выходит только 120 штук. Кол-во перестановок только 720.
            Я конечно в физике высоких энергий и соответствующей математике понимаю не многим больше, чем студент после 3 семестров физики и вышки. Но мне казалось, что Теория струн — это попытка вывести те «бесконечность в степени 18» вариантов Вселенной из каких-то принципов, которые ограничат эти варианты.
            Пока что я так понимаю, что в теории есть 2 проблемы:
            1. Выходят те самые 10 в 100 (500 или 1000) вариантов.
            2. Не выходит придумать эксперимент (на энергиях, доступных для измерения), который вообще мог проверить упомянутые выше принципы. Как вариант — проверка этих принципов дала бы определить некоторые параметры, не входящие в Стандартную модель, но задающие определенные свойства элементарных частиц (фермионов) или полей (бозонов).

  3. Zombieff
    /#10667897 / -1

    Один философ даже утверждал, что статус теории струн, как единственной из известных непротиворечивых теорий, считается доказательством её истинности.

    Этим философом был Альберт Эйнштейн Шерлок Холмс.

    • Bhudh
      /#10668221

      Холмс говорил об исключении всех невозможных решений.
      Но если число ещё возможных неопределённо велико, такого философа следует гнать, ибо он не дружит с логикой. Может, это был не философ, а просто DPh?

  4. sotnikdv
    /#10668659

    А является ли это вообще научной теорией?


    Ввиду проблемы ландшафта она не фальсифицируема и проверяемых предсказаний не дает.


    Пока выглядит так, что теория "на все воля божья" обладает один в один схожими характеристиками.

    • Shkaff
      /#10668921 / +1

      Вот-вот. Математически она, конечно, красива и все такое. Только к физике отношения не имеет (пока по крайней мере).

    • Victor_koly
      /#10671879

      Выше товарищ dioneo сомневается в том, что при построенной теории струн выйдет получить из неё наш вариант (известен как «истинный вакуум») среди «100 в степени 500» вариантов. Я в таких сложных теориях элементарных частиц не бум-бум, так что не подскажу, может ли задача быть решена в принципе.
      P.S. Не знаю, как с физикой, но в случае абстрактных теорий многомерной математики иногда математикам удается доказать факт существования решения при определенных параметрах не находя само решение. В шутку скажу, что для той задачи в 10- и 11-мерном пространстве доказали возможность решения.

  5. 4erdak
    /#10669475

    Физики скоро станут химиками, такого нахимичат, что потом руками за голову возьмутся от ужаса от того, нахимичили, а математики будут нервно курить в сторонке.

  6. DharmaFucker
    /#10669477

    Конечно не уместно так говорить о теориях, но тут вспомнился Иллюминатус РАУ, где упоминалось как Адам Вейпсгаут, прежде чем создать иллюминатов долго смотрел, хм, под специфическим состоянием- на свою руку, и ему там открылось что правда это пятерка. Якобы как самая удобная форма сведения всего ко всему(имеется в виду сакральное восприятие чисел)Она же в эзотерике считается числом человека и всячески обыгрывается, как святое число. Т.е. я так понимаю что вполне себе может рассматриваться вопрос где все пять теорий струн верны, пусть даже это может вызвать в нас когнитивное противоречие? И от сюда сразу же возникает следующий вопрос: потенциально доказуемой в рамках нашей вселенной может быть только одна или несколько из теорий струн, но никак не вся М-теория?

  7. TyVik
    /#10669771

    Я правильно понимаю, что это generic теория, которая параметризуется физическими константами? То есть, чем точнее мы их будем знать, тем точнее сможем определить остальные параметры нашей вселенной, и тогда теория обретёт предсказательную силу в той или иной степени?

    • Victor_koly
      /#10672409

      В статье описан пример задачи, которую теоретики точно не могут пока посчитать:

      Теоретики могли подсчитать, что происходит, когда две гравитонные струны сталкиваются на высоких энергиях, но оказывались бессильны перед слиянием гравитонов настолько экстремальным, что оно порождает чёрную дыру.

      На самом деле это вообще экстремальный случай. Пока было бы неплохо, если бы теория струн дала какие-то ответы хотя бы в рассчете эффектов 3 более «сильных» взаимодействий на масштабе энергий 1 МэВ..10^15 ГэВ (или сколько там в теории великого объединения?).

      А так, результатми теории должны быть массы хотя бы тех 9 фермионов, у которых она точно есть — u, d, s; c, b, t; e, mu, tau. Дальше — описать их взаимодействие с точки зрения того, что эти частицы и их энергия есть колебания струн.
      Как я писал выше, есть как минимум 18 «свободных» параметров в Стандартной модели. Если в теории струн их будет меньше — уже хорошо.
      P.S. Но размерность пространства, в которой они колебаются — это тоже свободный параметр.