Шинтан Яу - Теория струн и скрытые измерения Вселенной

• Название: Теория струн и скрытые измерения Вселенной
• Автор: Шинтан Яу
• Издательство: Питер
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-459-00938-5

Революционная теория струн утверждает, что мы живем в десятимерной Вселенной, но только четыре из этих измерений доступны человеческому восприятию. Если верить современным ученым, остальные шесть измерений свернуты в удивительную структуру, известную как многообразие Калаби-Яу. Легендарный математик Шинтан Яу, один из первооткрывателей этих поразительных пространств, утверждает, что геометрия не только является основой теории струн, но и лежит в самой природе нашей Вселенной.

Читая эту книгу, вы вместе с авторами повторите захватывающий путь научного открытия: от безумной идеи до завершенной теории. Вас ждет увлекательное исследование, удивительное путешествие в скрытые измерения, определяющие то, что мы называем Вселенной, как в большом, так и в малом масштабе.

---

Пространство-время — в четырехмерном варианте пространство-время представляет собой объединение трех пространственных и одного временного измерения. Это понятие было введено в начале XX столетия Альбертом Эйнштейном и Германом Минковским. Однако понятие пространства-времени не ограничивается четырьмя измерениями. Теория струн базируется на десятимерном пространстве-времени, а М-теория, с которой она связана, основана на 11-мерном пространстве-времени.

Расслоение — топологическое пространство, которое образовано из многообразия или прикреплено к нему. Чтобы представить его, предположим, что многообразие чем-то похоже на сферу. Далее предположим, что к каждой точке на поверхности сферы присоединен массив векторов (или векторное пространство). Расслоение состоит из самого многообразия (в данном случае — сферы) и массива векторов, присоединенных к каждой точке (см. Касательное расслоение).

Релятивистский — термин, применяемый к частицам или другим объектам, движущимся со скоростями, приближающимися к скорости света.

Риманова геометрия — математическая модель для изучения кривизны пространства произвольной размерности. Эта геометрия, предложенная Георгом Бернхардом Риманом, лежит в основе теории относительности.

Риманова поверхность — одномерное комплексное многообразие или, что эквивалентно, двухмерная действительная поверхность. В теории струн поверхность, которую заметает струна при своем движении через пространство-время, считается римановой поверхностью.

Род — грубо говоря, количество дырок в поверхности или пространстве. Например, обычный бублик — это поверхность 1-го рода, в то время как сфера, в которой отсутствуют дырки, относится к поверхности 0-го рода.

Сильное взаимодействие — взаимодействие, ответственное за связывание кварков внутри протонов и нейтронов и за удержание протонов и нейтронов вместе с образованием атомного ядра.

Симметрия — операция с объектом, физической системой или уравнением, оставляющее их неизменными. Например, круг остается неизменным при повороте вокруг своего центра. Квадрат или равносторонний треугольник остаются неизменными при повороте вокруг центра на 90 и 120 градусов соответственно. Однако квадрат не обладает симметрией относительно поворота на 45 градусов, так как при этом его внешний вид изменился бы на правильный ромб, поставленный на угол.

Сингулярность — точка в пространстве-времени, где кривизна и другие физические характеристики, такие как плотность, становятся бесконечными и обычные законы физики нарушаются. Центр черной дыры и момент Большого взрыва считаются сингулярностями.

Скалярное поле — поле, которое полностью может быть описано единственным числом в каждой точке пространства. Число, соответствующее температуре в каждой точке пространства, представляет собой один из примеров скалярного поля.

Слабое взаимодействие — одна из четырех известных фундаментальных сил природы, которая отвечает за радиоактивный распад и за ряд других процессов.

Специальная теория относительности — разработанная Эйнштейном теория, объединяющая пространство и время и утверждающая, что законы физики должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, движущихся с постоянной скоростью, независимо от их скорости. Согласно специальной теории относительности, скорость света является одинаковой для всех наблюдателей. Эйнштейн показал, что для покоящейся частицы ее энергия и масса связаны формулой E=mc2.

Стандартная модель — теория в физике элементарных частиц, которая описывает известные элементарные частицы и взаимодействия (сильные, слабые и электромагнитные) между ними. Гравитация не входит в Стандартную модель.

Субмногообразие — пространство более низкой размерности, расположенное внутри пространства более высокой размерности. Например, можно представить, что тор — это замкнутая трубка, построенная из окружностей, каждая из которых является субмногообразием в более крупной структуре или многообразии, которым является сам тор.

Суперсимметрия — математическая симметрия, которая связывает фермионы с бозонами. Важно отметить, что подразумеваемые суперсимметрией бозоны, которые были бы «суперпартнерами» для известных кварков и лептонов, до сих пор не наблюдались. Хотя суперсимметрия является важным элементом большинства теорий струн, обнаружение четкого доказательства ее наличия не обязательно докажет, что верна сама теория струн.

Сфера — используемый в геометрии термин обычно относится к двухмерной поверхности шара, а не к трехмерному объекту. Однако понятие сферы не ограничивается двумя измерениями и может применяться к объектам любой размерности от нуля и выше.

Темная энергия — таинственная форма энергии, составляющая, согласно последним наблюдениям, более 70 процентов всей энергии Вселенной. Темную энергию можно характеризовать величиной энергии вакуума. Космологи верят, что она является причиной ускоренного расширения Вселенной.

Темное вещество — гипотетическое несветящееся вещество неизвестной природы, пока что непосредственно не обнаруженное. Темная материя, как полагают, составляет большую часть вещества Вселенной и на нее приходится примерно 25 процентов полной энергии Вселенной.

Теорема о положительности массы — также называется теоремой о положительности энергии. Утверждение о том, что в любой изолированной физической системе совокупная масса или энергия должна быть положительной.

Теорема Пифагора — утверждение, что в прямоугольном треугольнике сумма квадратов длин двух катетов равна квадрату длины гипотенузы a2+b2=c2.

Теорема — утверждение или предположение, доказываемое путем формальных математических рассуждений.

Теория Калуцы-Клейна — ранняя попытка объединить общую теорию относительности и электромагнетизм за счет введения дополнительного (пятого) измерения. Термин «Калуца-Клейн» иногда используют как сокращенное название общего метода объединения сил природы путем постулирования существования дополнительных невидимых измерений.

Теория поля — теория, в которой как частицы, так и силы описываются полями.

Теория струн — физическая теория, объединяющая квантовую механику и общую теорию относительности, и считающаяся главным кандидатом на роль теории квантовой гравитации. Теория струн предполагает, что фундаментальные строительные блоки природы являются не точечными частицами, а крошечными, одномерными нитями, называемыми струнами, которые встречаются как в открытой, так и в закрытой (петли) форме. Существует шесть типов струнных теорий: бозонная, типа I, типа IIA, типа IIB, гетеротическая теория Е8×Е8 и гетеротическая теория SO(32), и все они связаны между собой. Термин теория суперструн иногда используют вместо термина теория струн, чтобы явно показать, что теория включает суперсимметрию.

Топология — общая характеристика геометрического пространства. Топология имеет дело только с глобальными свойствами пространства, а не с его точным размером или формой. В топологии формы подразделяются на группы, которые могут быть преобразованы друг в друга путем растяжения или сжатия без разрыва или изменения числа дырок.

Тор — класс топологических форм, который включает двухмерную поверхность типа бублика, а также ее многомерные обобщения.

Туннелирование — явление, когда частица проходит через потенциальный барьер в другую область пространства, что запрещено в классической физике, но разрешено (или имеется ненулевая вероятность) в квантовой механике.

Уравнение Дирака — система из четырех уравнений, предложенная британским физиком Полем Дираком для описания поведения свободных частиц, обладающих спином, таких как, например, электроны.

Уравнения Эйнштейна — уравнения, описывающие гравитацию в общей теории относительности. Уравнения Эйнштейна связывают кривизну пространства-времени с массой и энергией, содержащимися в этом пространстве.

Уравнения Янга-Миллса — обобщение уравнений Максвелла, описывающих электромагнетизм. Сейчас физики используют уравнения Янга-Миллса для описания сильных и слабых взаимодействий, а также электрослабого взаимодействия, которое объединяет электромагнитные и слабые взаимодействия. Уравнения являются частью теории Янга-Миллса или калибровочной теории, которая была разработана в 1950-е годы физиками Чженьнин Янгом и Робертом Миллсом.

Фазовый переход — внезапное изменение свойств вещества или системы, то есть их переход из одного состояния в другое. Кипение, замерзание и плавление — известные вам примеры фазовых переходов воды.