Vuonna perusfysiikka , Säieteorian on teoreettinen kehys, jonka kohta hiukkaset on hiukkasfysiikan edustaa yksiulotteisen objekteja kutsutaan jousille . Teoria kuvaa, kuinka nämä merkkijonot etenevät avaruudessa ja ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Etäisyyden skaalaa suurempi kuin merkkijono mittakaavassa, merkkijono näyttää tavalliselta hiukkanen, jossa on massa , varaus, ja muut ominaisuudet määritetään värähtelevän tila merkkijonon. Jousiteoriassa yksi näistä värähtelytiloista vastaa gravitonia, kvanttimekaniikan kuvaama hiukkanen, joka kantaa gravitaatiovaikutusta . Jousiteoria on siis kvanttigravitaation teoria .
Koska merkkijonoteoria tarjoaa mahdollisesti yhtenäisen kuvauksen painovoimasta ja hiukkasfysiikasta, se on ehdokas kaiken teorialle , itsenäiselle matemaattiselle mallille, joka kuvaa kaikki aineen voimat ja muodot . Huolimatta paljon työstä näissä kysymyksissä, ei ole selvää, missä määrin merkkijonoteoria kuvaa todellista maailmaa tai kuinka paljon vapautta teoreettinen kehys jättää yksityiskohtiensa valinnassa.
Merkkijonoteoriaa on sovellettu
Se on toisaalta stimuloinut useita tärkeitä puhtaan matematiikan kehityksiä . Erityisesti se oli mahdollista käsitteellistää peilisymmetrian vuonna geometria .
Teoreettisen fysiikan tänään perustuu kahteen teorioita hiukkasfysiikan:
Yleistä suhteellisuusteoriaa tukevat pääasiassa tähtitieteelliset havainnot (aurinkokunnan mittakaavassa, kuten Merkuruksen perihelionin eteneminen ja tähtitieteellisessä mittakaavassa, kuten gravitaatiolinssit ja binääritähtien dynamiikka), mutta myös konkreettiset sovellukset, kuten GPS .
Kvanttimekaniikkaa tukevat kaikki havainnot pienemmissä mittakaavoissa ( pikometreistä miljardiin kilometreihin).
Kukin näistä kahdesta teoriasta on johtanut vaikuttaviin menestyksiin (tarkkojen ja luotettavien kokeiden suhteen, vrt. Klassinen mekaniikka ja kvanttimekaniikka ) omalla alallaan, mutta edellä mainittu syvällinen ero johtuu epäjohdonmukaisuuksista. Jotkut fyysikot ovat sen vuoksi omaksuneet käytännöllisen asenteen: käyttäkäämme jokaista työkalua sen voimassaoloaikana asettamatta ongelmia, jotka saattavat olla liukenemattomia (vrt. Kööpenhaminan koulu , toisin kuin muut, jotka ehdottavat realistisempaa näkökulmaa kahden teorian mukaisesti, vrt. . De Broglie-Bohmin teoria ).
Vielä on, että tietyt ilmiöt vaativat näiden kahden teorian käyttöä. Täten mustalla aukolla on niin painovoimakenttä, että se houkuttelee kaikkea, mikä kulkee sen ulottuvilla, mukaan lukien valo, mikä merkitsee yleistä suhteellisuusteoriaa. Kvanttimekaniikkaan on vedota, jotta voidaan yrittää kuvata sen aineen "luonnetta", josta se on tehty, mikä merkitsee matemaattisesti yhtenäisen kenttäteorian muotoilua. Ensimmäisen hetken alkuräjähdys aiheuttaisi teorian pätevänä pitämisen, samanlaisen ongelman, ainakin ensi silmäyksellä. Jousiteoriat yrittävät kuvata tällaisia ilmiöitä. Elegant Universe by Brian Greene antaa yleiskuvan siitä käyttöön muille kuin asiantuntijoille.
Seuraavassa mainittujen perustavanlaatuisten kiistojen lisäksi merkkijonoteorioilla on käytännön haitta, niiden äärimmäinen monimutkaisuus, joka ei tähän mennessä salli meidän saavuttaa käyttökelpoisia tuloksia ilman karkeita arvioita. Tähän mennessä se on ennen kaikkea matemaattinen teoria, jolla on fyysisiä tavoitteita ja jonka pätevyys on vielä osoitettava kokemuksella.
Teoria perustuu kahteen oletukseen:
Näistä oletuksista merkkijonoteoria ennustaa, että:
Vuonna 1960 , käyttäytyminen hadronien on edelleen mysteeri tiedeyhteisölle. Hiukkaskiihdyttimissä tehdyt erilaiset tutkimukset ovat ristiriidassa kaikkien esitettyjen hypoteesien kanssa. Vuonna 1968 fyysikko Gabriele Venezianon käyttää beeta-toiminto on Euler selittämään suhdetta spin elektronien ja energiaa. Tätä työtä seurataan ja parannetaan seuraavina vuosina, mutta aina johtamatta vakuuttavaan selitykseen. Vuonna 1973 ilmestyi uusi teoria, kvanttikromodynamiikka (lyhenne QCD Quantum ChromoDynamics ), jonka tulokset olivat niin vakuuttavia, että se integroitiin vakiomalliin ja toi Nobel-palkinnon kirjoittajilleen vuonna 2004. Vaikka se ei tarjoa kaikkia Vastauksia fyysikkojen kysymyksiin QCD: tä pidetään edelleen voimassa tänään, mutta se ei mitätöi merkkijonoteoriaa, jonka tutkimus jatkuu.
Vuonna 1984 mukaan merkittävä tekninen saavutus, Michael B. Green ja John H. Schwarz osoittanut, ettei sekä mittarin tai painovoiman poikkeamia on tyypin I Säieteorian joka on kiraalinen teoriaa sekä Standardimalli . Tämä teos tarjoaa ensimmäistä kertaa mahdollisuuden saada realistinen fenomenologia jousista.
-1990- luvun puolivälissä löydettiin suuri määrä "siltoja" tai dualiteetteja eri kielisuunateorioiden välillä. Vuonna 1995 fyysikko Edward Witten ehdotti, että nämä kaksinaisuudet kuvastavat perustavanlaatuisempaa teoriaa , jota kutsutaan M-teoriaksi . Se toisi yhteen erilaiset merkkijonoteoriat yhtenäisessä tilassa, joista kukin saatiin tietyillä parametrirajoilla, mikä muodostaisi moduulien avaruuden . Tämä kentän intensiivisen toiminnan jakso on saanut sille nimen "toinen merkkijono vallankumous".
26-ulotteinen bosoninen jousiteoria on alkuperäinen ja yksinkertaisin jousiteoria. Teorian muotoilu sen universumilehdessä sisältää vain bosoneja , joten sen nimi. Se sisältää takionin (eräänlainen hypoteettinen hiukkanen, jonka energia on todellinen määrä ja massa (levossa) puhdas kuvitteellinen ), mikä on osoitus siitä, että teoria on epävakaa ja siksi sopimaton todellisuuden kuvaamiseen.
Pedagogisesti on kuitenkin hyödyllistä perehtyä realistisempien mallien peruskäsitteisiin. Erityisesti nollatason tasolla se paljastaa painovoiman . Se sallii avoimet tai suljetut köydet.
Supersangan teorioita on oikeastaan viisi. Niille on yhteistä 10-universumissa (yhdeksän tilaa ja yhden kerran), jolla ei ole tachyons , ja olettaa, että kyseessä on supersymmetrian on maailmankaikkeuden arkki jouset, jolloin olemassaolo supersymmetries että kohdetilassa :
Supersankariteoriat erotetaan ensimmäisistä ylimääräisen symmetrian, supersymmetrian olemassaololla , jonka on todettu olevan välttämätöntä, kun halutaan sisällyttää fermionit (aine) bosoniseen jousiteoriaan.
Muut laajennetut objektit esiintyvät merkkijonoteorioissa, Dp-braneissa , p on kokonaisluku, joka osoittaa kyseisen objektin tilamittojen lukumäärän. Niitä kuvataan alatiloiksi, joissa avoimien merkkijonojen päät elävät. Tutkimus spektrin osoittaa, että D1, D3, D5 ja D7 branes voidaan sisällyttää kohdetilan kuvattu teoriaan II B, kun taas tilaan, jossa tyypin II jouset elää, branes tyypin II A: ta voidaan ottaa käyttöön. D0, D2 , D4, D6 ja D8. D1: llä on sama määrä ulottuvuuksia kuin perussoinnulla (yleensä merkitty F1: llä). Vaikka IIB- teorian ei-häiriötön symmetria , jota kutsutaan S-kaksinaisuudeksi ja joka on läpäissyt suuren määrän epäsuoria todistuksia, on omaisuutensa vaihtaa D1- brane F1: n kanssa.
Vuonna 1995 Strings '95 -konferenssissa . Edward Witten syntetisoi suuren määrän vihjeitä, jotka viittaavat 11-ulotteisen teorian olemassaoloon superstring-teorian viiden version perustana, samoin kuin 11-ulotteisen supergravitaation , joka voidaan ymmärtää sen rajatapauksina, nimeltään M-teoria. Viiden kielen teorian yhtenäinen visio perustuu olennaisesti niiden yhteenliittämiseen lukuisien merkkijonodualitioiden kautta . Supergravitaatio enimmäismäärä voi itse olla ymmärrettävä tehokas teoria vähän energiaa.
Nimivalinnasta Edward Witten sanoi myöhemmin: "M tarkoittaa maagista" maagista "," mysteeriä "tai" matriisia ". "
Voimme tutustua merkkijonoteorian sivuun kiertimien (en) tilassa ja muutamasta amplituedronin keskustelussa esitetystä elementistä . Ambithistoriallinen merkkijonoteoria on esitetty sivulla “ Twistor-teoria ”.
Brane tai tarkemmin p-brane, on laajennettu esine säieteorian. P on määrä paikkatietojen mitat , jossa brane ulottuu. Tähän lukuun on lisättävä ajallinen ulottuvuus ulottuvuuksien kokonaismäärän saamiseksi. Esimerkiksi 1-rintainen on runko, jolla on vain yksi avaruusulottuvuus, mutta yhteensä kaksi ulottuvuutta. Ne vastaavat siis maailmankaikkeuden pintoja . 2-asteinen on asteikko, jolla on yksi ajallinen ulottuvuus ja kaksi avaruusulottuvuutta.
Useita kosmologisia malleja on syntynyt siitä, että branes otettiin käyttöön jousiteoriassa. Branar-kosmologian yleinen ajatus on, että maailmankaikkeutemme olisi rajoitettu 4-asteiseen. Tämä tarkoittaa, että ainehiukkasten ( kvarkkien , elektronit , jne. ) Ja perusvuorovaikutukset muut kuin painovoima (kuljettaa hiukkasia, kuten fotoni , gluoni , jne. ) Ovat sallittuja vain liikkua siellä. 'Sisällä brane kun taas painovoima on mahdollisuus liikkumisesta myös koko aika-ajalla (sanomme myös suurimman osan englanniksi), josta runko edustaa vain alatilaa.
Myös sisällä puitteissa alkuräjähdyksen malli , idea otettiin käyttöön vastikään vaihtoehtona kosmisen inflaation kuvaamaan aivan ensi hetkistä historian maailmankaikkeuden The ekpyrotic malli . Tässä mallissa alkuperäinen laajeneminen johtuu rungon ja anti-ruskean törmäyksestä , joka vapauttaa maailmankaikkeuden laajentumiseen tarvittavan energian. Tämä malli ennustaa mahdollisten muiden törmäysten, jotka johtaisivat muihin isoihin otsoihin . Siitä huolimatta se ei herätä yksimielisyyttä kosmologien yhteisössä ja kosminen inflaatio on mekanismi, jota pidetään pääasiassa ensimmäisten hetkien kuvaamiseen.
Jousiteorian mukaan maailmamme, jonka tila näyttää kolmiulotteiselta, ei koostuisi neljästä aika-ajan ulottuvuudesta (3 avaruudesta ja 1 ajasta), vaan 10, 11 tai jopa 26 ulottuvuudesta. Ilman näitä lisäulottuvuuksia teoria romahtaa. Fyysinen koherenssi ( aaltofunktio, joka antaa ei-negatiiviset todennäköisyydet) edellyttää todellakin ylimääräisiä ulottuvuuksia . Syy siihen, miksi ne pysyvät näkymättöminä, on se, että ne kääritään ulottuvuuden pienennyksen avulla mikroskooppisessa mittakaavassa (miljardeja kertoja pienempi kuin atomi), mikä ei salli meidän havaita niitä.
Todellakin, jos kuvittelemme kaapelin kaukaa katsottuna, se edustaa vain suoraa viivaa ilman paksuutta, yksiulotteista esinettä. Jos pääsemme tarpeeksi lähelle, ymmärrämme, että on olemassa toinenkin ulottuvuus: se, joka ympäröi itseään kaapelin ympärillä. Jousiteorian mukaan paikkakudoksella voi olla hyvin suuret mitat, kuten tavalliset kolme ulottuvuuttamme, mutta myös pienet mitat kääritään itselleen.
Calabi-Yau-tilat ovat lajikkeita, joilla on kelattujen ulottuvuuksien rooli. Se on erittäin monimutkainen muoto, joka koostuu kuudesta ulottuvuudesta yksinään. Niiden ansiosta meillä on kymmenen ulottuvuutta: tavalliset neljä ulottuvuutta (kolme avaruutta ja yksi aika) + kuusi Calabi-Yau- tilaa .
Supersymmetria on symmetria hiukkasfysiikassa . Se muodostaa erittäin vahvan yhteyden täydellä pyörimällä olevien hiukkasten ja puoliksi täyteen pyörivien hiukkasten välillä . Tässä yhteydessä fermionit liittyvät toisen tyyppisiin hiukkasiin: superpartneriin . Superpartnerit ovat suuria hiukkasia, jotka ovat kaikilta osin identtisiä kumppaninsa kanssa , paitsi pyöräytystasolla : superpartnerin ero eroaa puolella yksiköllä.
Supergravitaatio on teoria, joka yhdistää supersymmetrian kanssa yleinen suhteellisuusteoria . Sen toiminta perustuu siis 11 ulottuvuuteen.
Ensimmäisen supersymmetrian käytön voimakkaasti korreloivan mittariteorian ( N = 2) ymmärtämiseksi kuvasivat Seiberg ja Witten vuonna 1994.
Jousiteoria ei ole vielä vakiintunut teoria, mutta se herättää silti paljon toiveita. Useat tärkeät kohdat näyttävät olevan ongelmallisia ja edelleen erittäin kiistanalaisia. Mikään näistä kiistoista ei lopullisesti mitätöi teoriaa, mutta ne osoittavat, että tämän teorian on vielä kehittyttävä, täydennettävä itseään ja korjattava heikkoutensa.
Jousiteorian yhtälöille on lukuisia ratkaisuja, jotka aiheuttavat ongelman maailmankaikkeuden valinnassa , ja toisaalta, vaikka monia vierekkäisiä malleja voitaisiin saada, mikään niistä ei salli meidän laskea tarkasti vakiomallia hiukkasten fysiikan.
Tätä merkkijonoteorian yhtälöiden ratkaisuja (jotkut fyysikot, kuten Aurélien Barrau puhuvat 10⁵⁰⁰ ratkaisusta tai jopa enemmän), kuitenkin pitää jousiteorian perustajina oleva Leonard Susskind (kirjassaan Le cosmic landscape ). avaamalla tietä järkevälle selitykselle sille, että maailmankaikkeus näyttää olevan suunniteltu erityisesti niin, että voimme olla olemassa (erityisesti säätämällä tiettyjen fyysisten vakioiden arvoa erittäin epätodennäköisellä tarkkuudella, jopa 120 : een saakka desimaali ...). Tämä suuri määrä ratkaisuja voi todellakin antaa mahdollisuuden kuvitella, että ei ole yhtä universumia, vaan joukko, joka vastaa näitä kaikkia toteutettuja ratkaisuja. Suurin osa ei sovi yhteen elämän kanssa tai edes tähtien tai atomien läsnäolon kanssa, ei kemiaa, mutta löydämme itsemme tämän "megaverien" äärettömän pienestä kuplasta, jossa olosuhteet sallivat atomien, tähtien ja elämän. . Nämä olosuhteet ovat erittäin epätodennäköisiä, mutta jos mahdollisuuksien määrä on ääretön, näiden ehtojen on välttämättä täytettävä jonnekin. Tämä hypoteesi herättää kiihkeää keskustelua tiedeyhteisössä .
Vaikka 1980-luvulla kehitettiin erilaisia itsenäisiä formulaatioita ( katso alla), 1990-luvulla saadut merkkijonodualiteettitulokset mahdollistivat sen, että kaikki aiemmin rakennetut teoriat ovat itse vain erilaisia rajoja. Perustavanlaatuisempi yksittäinen teoria, nimeltään M-teoria , mikroskooppisen muotoilu ei tunneta, mutta tehokas teoriaa vähän energiaa on suurin supergravitaatio yhdessätoista mitat, yksi enemmän kuin kriittinen koko on superstring teorioita .
Yksi suurimmista viime vuosina havaituista kokeellisista tosiseikoista on, että maailmankaikkeus laajenee nopeasti . Pimeä energia , ja tuntemattomia, on oletettu selittää tätä kiihtyvyyttä. Tämä pimeä energia voidaan nähdä myös positiivisena kosmologisena vakiona . Jousiteoria ei ennustanut maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymistä, koska tämä teoria johtaa luonnollisesti maailmankaikkeuksiin, joissa on negatiivinen tai nolla kosmologinen vakio. Jousiteorian tekeminen positiivisen vakion kanssa yhteensopivaksi osoittautui erittäin vaikeaksi, ja Stanfordin yliopiston ryhmä teki sen vasta vuonna 2003 . Mutta yksi seuraus tästä työstä on, että mahdollisista merkkijonoista on noin 10⁵⁰⁰ teoriaa, jotka antavat pikemminkin "maisema" (" maisema ") -teorioita kuin yhden teorian. Olisiko tämä valtava määrä erilaisia teorioita - joilla kaikilla on sama teoreettinen voimassaoloaika - johtaa suoraan hypoteesia multiverse , jopa antrooppinen periaate , joka häiritsee tai juonittelusta monet fyysikot.
Joseph Polchinski huomauttaa kuitenkin, että Steven Weinberg ennusti 1980-luvulla nollasta poikkeavan kosmologisen vakion olettamalla multiversumin , mikä on nimenomaan mahdollinen merkkijono-teoria.
Mukaan Peter Woit , merkkijono teoria ”ei voi edes olla väärässä”. Teorioiden maisema tarjoaa todellakin mahdollisuuden säätää merkkijonoteorian vapaita vakioita niin, että siihen mahtuu käytännössä kaikki tiedossa olevat tai tulevat havainnot. Esimerkiksi, jos LHC ei havaitse superpartnerihiukkasia , on mahdollista modifioida teoriaa tekemällä nämä hiukkaset raskaammiksi selittämään niiden ei-havaitsemista. Tämän joustavuuden vuoksi on myös erittäin vaikeaa tehdä ennusteita fysikaalisista ilmiöistä, jotka voivat testata ja vahvistaa merkkijonoteoriaa. Lisäksi ei tiedetä, onko mahdollista suorittaa kokeita maailmankaikkeuden lisäulottuvuuksille.
Merkkijonoteorian monipuolisuudesta ja jopa monipuolisuudesta huolimatta se voisi olla kumottavissa merkkijonojen painovoiman allekirjoituksen avulla, jonka gravitaatioaaltojen observatorio laserinterferometrisesti pystyy pian testaamaan.
Jousiteoriaa kuvataan tällä hetkellä puoliklassisena teoriana . Toisin sanoen, kun otetaan huomioon kiinteä ympäristö (taustageometria ja mahdollinen aine), muotoilu sigmamallina mahdollistaa merkkijonojen herätteiden löytämisen ja tutkimisen vain tämän geometrian läheisyydessä. Tämän tilanteen kvanttimekaniikassa on analogia vetyatomin tutkimiseen, joka kylpee taustalla olevassa sähkökentässä (mikä tekee mahdolliseksi esimerkiksi spontaanien, mutta ei stimuloitujen päästöjen tutkimisen ).
On kuitenkin huomattava, että on useita kohtia:
Kaksi ensimmäistä pistettä osoittavat, että teoria on täysin yhteensopiva yleisen suhteellisuusteorian kanssa. Toinen kohta on vetyatomin tapauksessa analoginen sen kanssa, että taustakentän on täytettävä Maxwellin yhtälöt. Vapautuakseen näistä ympäristörajoituksista ja analogisesti toisen kvantisoinnin kanssa hiukkasten tapauksessa, joka johtaa kvanttikenttäteoriaan , on siksi toivottavaa, että käytössä on merkkijonokenttäteoria, joka vastaa näiden merkkijonoaaltofunktioiden kvantisointia . Tämä muotoilu on olemassa, mutta merkkijonojen laajennetusta luonteesta johtuvat tekniset vaikeudet tekevät tarkkojen ratkaisujen etsimisen yhtälöilleen erittäin vaikeaa matemaattisesti, ja siksi sen vaikutus merkkijonoteorian kehitykseen on edelleen rajallinen verrattuna kvanttikenttäteorian vaikutuksiin hiukkasissa fysiikka.
Lopuksi on huomattava, että silmukan kvanttigravitaatio, joka on toinen ehdokas painovoiman kvanttikuvaille (mutta joka ei kuitenkaan salli ainekenttien sisällyttämistä), teorian muotoilu on nimenomaisesti riippumaton perusgeometriasta, mutta se ei ole vielä osoitti kunnioittavansa Lorentzin muuttumattomuutta .
Jousiteorian esitetään usein ratkaisneen " äärettömien suureiden " ongelman , joka esiintyy kvanttikenttäteoriassa tai yleisessä suhteellisuusteoriassa . Tämä olisi merkittävä menestys merkkijonoteorialle, jos matemaattinen todiste annettaisiin; sen esittelyn tarkkuus on siksi tärkeä asia. Stanley Mandelstam julkaisi varhaisen todistuksen vuonna 1992 , että tietyntyyppisiä eroja ei esiinny merkkijonoteorian yhtälöissä. Koska Mandelstam itse myöntää sen kirjeessään Carlo Rovellille , ei ole kuitenkaan poissuljettua, että muuntyyppisiä äärettömiä voi esiintyä.
Vuonna 2001 , Eric d'Hoker ja Duong H. Phong osoittaneet, että kaikenlainen äärettömyys oli mahdotonta jopa järjestyksessä 2 approksimaatio.
Vuonna 2004 , Nathan Berkovits kyennyt osoittamaan, että kaikenlainen äärettömyys on mahdotonta, ja että minkä tahansa järjestyksessä lähentämistä, vaan muotoilemalla Säieteorian, erityisesti lisäämällä eräitä muita edellytyksensä .
Muodollisten todisteiden puuttumisesta huolimatta harvat teoreetikot kyseenalaistavat merkkijonoteorian lopullisuuden. Mutta jotkut, kuten Lee Smolin, uskovat, että vaikeudet saada lopullinen todiste todistaa perustavanlaatuisesta ongelmasta tällä tasolla.
Luominen mikro musta aukko on hiukkastörmäyttimen, jos se suoritetaan, antaisi monia keinoja, hyväksytäänkö vai hylätäänkö teoria.