Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.995 RSS
←   Июль 2006   →
 1
 2
 3
03.07.2006
15:11:57
18:30:33
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.995 подписчиков
-1 за неделю
←   Все выпуски   →

Бесконечно ли всемогущество теории суперструн?


«Хронология далекого прошлого»

Хронология далекого прошлого

18 тысяч лет назад...
330 миллионов лет назад...
Откуда берутся эти цифры? Насколько им можно доверять?

Статья доктора биологических наук Александра Маркова открывает на «Элементах» раздел Методология науки

Бесконечно ли всемогущество теории суперструн?

03.07.2006

Теория суперструн, язык и объекты которой могут показаться чем-то совершенно не относящимся к нашему миру, недавно столкнулась с неожиданной проблемой: есть подозрения, что она способна описать какой угодно мир, а значит, не может предсказать ничего. Сейчас физики пытаются разобраться, так ли «всемогущественна» эта теория (изображение с сайта pyweb.swan.ac.uk)
Теория суперструн, язык и объекты которой могут показаться чем-то совершенно не относящимся к нашему миру, недавно столкнулась с неожиданной проблемой: есть подозрения, что она способна описать какой угодно мир, а значит, не может предсказать ничего. Сейчас физики пытаются разобраться, так ли «всемогущественна» эта теория (изображение с сайта pyweb.swan.ac.uk)

Ключевая проблема в теории суперструн — выяснить, конечно или бесконечно число «вселенных», которые она может описать. В недавней статье hep-th/0606212 делается попытка доказать, что это число конечно.

Теория суперструн — один из основных кандидатов на полное описание всех взаимодействий элементарных частиц, в том числе и гравитации, при сверхвысокой концентрации энергии. Требования математической самосогласованности и соответствия реальному миру привели физиков к одной единственно возможной всеобъемлющей суперструнной теории, к единственно возможному фундаментальному «закону упорядоченности» нашего мира — так называемой М-теории. (Конечно, если отказаться от гипотезы частиц-струн, то появляются и другие возможности описания.)

После открытия М-теории физики надеялись, что вскоре будут полностью объяснены свойства окружающей нас вселенной: то есть, мира при низкой энергии. Но в последующие годы эти надежды стали рушиться и в конце концов привели к кризису в теории струн. Однако после периода отчаяния физики вновь взялись за дело, и постепенно стали проясняться возможные пути выхода из кризиса. Знаковой стала недавняя статья B. S. Acharya, M. R. Douglas, hep-th/0606212, в которой делается попытка ответить на ключевой вопрос — конечно ли число тех вариантов устройства нашего мира, которые дает теория суперструн.

Суть кризиса в теории суперструн состоит, вкратце, в следующем. М-теория описывает «жизнь» протяженных объектов в 11-мерном пространстве-времени при очень высокой температуре. 11-мерное пространство — это не прихоть, а единственный способ удовлетворить сразу всем налагаемым условиям. Если мы хотим получить из этой теории свойства нашего мира, то мы должны постепенно понижать температуру и смотреть, что происходит с этим 11-мерным пространством и летающими в нем объектами.

Так получается, что 7 из этих 11 измерений становятся неустойчивыми и спонтанно сворачиваются в маленькие самозамкнутые конфигурации, оставляя «большими» три пространственных измерения плюс время — то есть нашу Вселенную. Детали этого механизма еще не вполне изучены, и на сегодняшний день кажется, что в теории суперструн возможно огромное число разных конфигураций свернутого пространства. Каждая такая конфигурация приведет к «конечной вселенной» со своими характеристиками: силой взаимодействий, массами частиц и т. д. Всю эту совокупность конечных вселенных, которую можно получить из одной-единственной теории путем разных «сверток», физики назвали «ландшафтом» теории.

Беда теории суперструн состоит в том, что она не может (пока) предсказать, какая именно свертка реализуется в реальности, а значит, не может предсказать, в какую именно конечную вселенную превратится М-теория при понижении температуры. Многие опасаются, что из теории суперструн можно получить вообще любое конечное состояние нашего мира; иными словами, что ландшафт теории суперструн бесконечен. В самом худшем варианте это будет означать, что такую теорию вообще нельзя опровергнуть: любой результат любого эксперимента можно будет объяснить в рамках теории суперструн.

Однако суперструнщики надеются, что при внимательном изучении вопроса всё же вскроется механизм, диктующий, как именно должно сворачиваться пространство. Найти такой механизм — очень сложная математическая задача, и потому многие исследователи предпочитают подойти к проблеме с другой стороны — изучить свойства «ландшафта», выяснить, сколько и каких вселенных можно получить после разнообразных сворачиваний лишних измерений.

Ясно, что прежде, чем рассуждать, много таких вариантов или мало, надо доказать, что их вообще конечное число. Статья hep-th/0606212 как раз посвящена попытке доказательства того, что количество вариантов, не противоречащих наблюдательным данным, конечно.

Откуда в этой теории может взяться бесконечное количество вариантов? Прежде всего, из-за разнообразных топологий сворачивания лишних измерений. Для иллюстрации представим, сколькими разными способами можно завязать узлы на веревке. Очевидно, таких возможностей бесконечно много, потому что навязывание новых и новых узлов будет приводить к новой конфигурации. Однако сразу же понятно и другое: если толщина веревки не меньше какого-то заданного числа и длина — не больше какого-то предела, то на такой веревке можно навязать лишь конечное число узлов. Узлы могут по-разному выглядеть и переплетаться, но в конце концов получится, что из любой заданной веревки можно получить лишь конечное число типов заузливания.

Очень похожие требования используются и авторами статьи. Слишком «тонкая веревка» отвечает слишком большой вакуумной плотности энергии, а слишком большой объем свернутого пространства неизбежно приведет к большому числу новых сверхлегких частиц. Ни того, ни другого в нашем мире не наблюдается. Поэтому, в принципе, вариантов свертки может быть бесконечно много, но лишь конечное их число не противоречит эксперименту.

Переформулировав физические требования на строгом математическом языке, авторы заметили, что это условие точь-в-точь совпадает с теоремой конечности Чигера из римановой геометрии. Есть, правда, одно «но»: эта теорема справедлива только для гладких сворачиваний, без изломов, а в теории струн допускаются и свертки с изломами. Для полного доказательства потребуется обобщить теорему и для таких ситуаций, и авторы уже наметили пути доказательства.

Однако это будет лишь полдела. Даже при одном и том же сворачивании пространства устройство гравитации на нем может быть самым разным, и необходимо доказать, что таких вариантов тоже конечное число. Авторы показали, что для этого достаточно будет доказать два утверждения. Первое — что пространство всех возможных устройств гравитации ограниченно, и второе —что слишком близкие точки этого пространства (то есть слишком похожие реализации гравитации) не отличаются с точки зрения физики. Грубо говоря, «разными» считаются вселенные, которые отличаются заметно, а не сотым знаком после запятой в каком-нибудь параметре.

Авторы выяснили, что некоторые не доказанные пока математические гипотезы после «перевода» на нужный язык как раз подойдут и для разрешения этого вопроса. Как только доказательства этих утверждений будут получены, можно будет объединить две идеи — конечное число сверток и конечное число решений для каждой свертки, — и конечность физически осмысленных решений в теории струн будет доказана.

Впрочем, даже если этот подход приведет к успеху, он всё равно не сможет хотя бы приблизительно дать ответ на вопрос, сколько именно решений возможно в теории суперструн. Для решения этого вопроса и выхода из кризиса потребуются новые идеи.

Игорь Иванов

Эта новость на «Элементах»
 

Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Дэвид Гросс: «Держу пари, что суперсимметрия будет открыта». Эксклюзивное интервью «Элементам».

Научно-популярная библиотека на «Элементах»

В. Н. Тутубалин и др. Математическое моделирование в экологии: Историко-методологический анализ.

Книга о реальной эффективности применения математических моделей в экологии и других науках, о «колодках мышления» и о чернобыльской катастрофе.

Предыдущие новости

03.07 Мыши чувствуют чужую боль

Зрелище чужих страданий повышает чувствительность мышей к собственным болевым ощущениям. Однако этот эффект проявляется лишь в том случае, если «страдающая» мышь перед этим жила вместе с подопытной не менее двух недель. К боли, испытываемой незнакомцами, мыши равнодушны.

30.06 Почему человек покинул Африку 60 тысяч лет назад

Почему популяции современного человека, возникшей в Африке 150-200 тысяч лет назад, понадобилось для расселения по другим континентам 100 тысяч лет и какие эволюционные процессы этому способствовали? Основываясь на результатах последних исследований, известный британский археолог Пол Мелларс предлагает свои ответы на эти вопросы.

28.06 Крупнейший палеонтологический конгресс всех времен преумножил славу китайской науки

16-22 июня в Пекинском университете прошел Второй международный палеонтологический конгресс. Одной из главных тем обсуждения были уникальные открытия китайских палеонтологов, сделанные в последние 20 лет: от пернатых четырехкрылых динозавров до причудливых членистых тварей, населявших нашу планету 400–500 миллионов лет назад.

28.06 Собака — друг человека, обезьяна — собрат по разуму

Собаки живут с людьми более 12 000 лет, но только сейчас мы начинаем понимать, что они обладают особым набором социальных навыков, которыми не обладают даже более высокоразвитые виды. Немецкие ученые из Института эволюционной биологии им. Макса Планка смогли показать, что собаки намного лучше обезьян понимают подсказки людей при поиске спрятанной пищи.

27.06 Раскрыта тайна иммунной системы насекомых

Оказалось, что у насекомых тонкая подгонка набора защитных белков к конкретной инфекции так же, как и у позвоночных, осуществляется путем перекомбинирования фрагментов генов, однако редактированию подвергаются не сами гены (молекулы ДНК), как в лимфоцитах позвоночных, а их копии — молекулы РНК.

27.06 Преодолено препятствие на пути к высокочувствительному детектору гравитационных волн

Детекторы гравитационных волн нуждаются в серьезном апгрейде, и для этого потребуется решить ряд нетривиальных технических задач. С одной из этих проблем справились недавно американские и австралийские физики.

27.06 В Испании найдена древнейшая ископаемая паутина с прилипшими насекомыми

Уникальная находка испанских и американских палеонтологов показала, что пауки научились плести спиральные, вертикально ориентированные ловчие сети из клейких нитей не менее 110 млн лет назад. Именно в это время быстрая экспансия цветковых растений спровоцировала массовое развитие насекомых.

26.06 Заключая «пакт о сотрудничестве», рыбы заранее просчитывают ситуацию

Вступая во взаимовыгодное сотрудничество, представители разных видов сначала стараются убедиться в надежности будущего партнера: наблюдают за ним и сравнивают его с другими кандидатами. Это подтверждают эксперименты с рыбами, обитающими около Большого Барьерного рифа, — мелким чистильщиком и его гораздо более крупным «клиентом».

26.06 Три продырявленные ракушки заставляют по-новому взглянуть на зарождение человеческой культуры

Возраст продырявленных раковин морских улиток (по-видимому, остатков древнейших ожерелий), обнаруженных на среднепалеолитических стоянках в Северной Африке и Западной Азии, составляет 100–130 тысяч лет. Это отодвигает начало зарождения подлинно человеческой духовной культуры в прошлое на несколько десятков тысяч лет.
В избранное