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A teoria das cordas

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Interação no mundo subatômico: linhas mundiais de ponto-like partículas no modelo padrão ou uma folha mundo varrido pela fechado cordas da teoria das cordas

A teoria das cordas é uma abordagem matemática incompleta para física teórica, cujos blocos de construção são objetos extensos unidimensionais chamados cordas, ao invés do-dimensional de zero partículas pontuais que formam a base para o modelo padrão da física de partículas . Ao substituir as partículas pontuais, como com cordas, uma aparentemente coerente teoria quântica da gravidade emerge, o que não foi realizável em teoria quântica de campos . Normalmente, a teoria das cordas termo inclui um grupo de relacionados teorias de supercordas e algumas estruturas conexas, tais como a teoria-M , que visa reunir todos eles.

Os teóricos das cordas não foram ainda completamente descreveu essas teorias, ou se determinado ou como essas teorias se relacionam com o universo físico. A elegância e flexibilidade da abordagem, no entanto, e uma série de semelhanças qualitativas com modelos físicos mais tradicionais, têm levado muitos físicos a suspeitar que essa conexão é possível. Em particular, a teoria das cordas pode ser uma forma de "unificar" a conhecida forças naturais ( gravitacionais , eletromagnéticas , nuclear fraca e nuclear forte), descrevendo-as com o mesmo conjunto de equações, como descrito no teoria de tudo. Por outro lado, os modelos têm sido criticados por sua incapacidade, até agora, para fornecer quaisquer previsões experimentalmente testáveis.

O trabalho sobre a teoria das cordas é dificultada pela matemática muito complexos envolvidos, e ao grande número de formas que as teorias pode tomar, dependendo do arranjo do espaço e energia. Até agora, a teoria das cordas sugere fortemente a existência de dez ou onze anos (em teoria-M ) dimensões do espaço-tempo, em oposição à habitual quatro (três espacial e uma temporais ) utilizado em teoria relatividade ; No entanto, a teoria pode descrever universos com quatro eficaz (observável) dimensões do espaço-tempo por uma variedade de métodos. As teorias também parecem descrever objetos de dimensões mais altas do que cordas, chamados branas. Certos tipos de teoria da corda também demonstraram ser equivalentes a determinados tipos de mais tradicional medir a teoria, e espera-se que a investigação neste sentido levará a novos insights sobre cromodinâmica quântica, a teoria fundamental da força nuclear forte.

Visão global

A idéia por trás de todas teorias das cordas é que cada elementar "partícula" é realmente um cadeia de uma escala muito pequena (possivelmente da ordem do Comprimento de Planck) que vibra em ressonante freqüências específicas para esse tipo de partícula. Assim, qualquer partícula elementar deve ser pensado como um pequeno objecto de vibração, em vez de um ponto. Este objeto pode vibrar em diferentes modos (assim como uma corda de violão pode produzir notas diferentes), com cada modo de aparecer como uma pessoa diferente partícula ( elétron , fotão , etc.). Strings podem dividir e combinar, que aparecem como partículas que emitem e absorvem outras partículas, presumivelmente dando origem à conhecida interacções entre partículas.

Níveis de ampliação: nível macroscópico, nível molecular, de nível atômico, nível subatômico, nível cadeia.

Além de cadeias, esta teoria também inclui objectos de dimensões maiores, tais como D-branas e NS-branas. Além disso, todas as teorias das cordas prever a existência de graus de liberdade que são geralmente descritos como dimensões extras . A teoria das cordas é pensado para incluir cerca de 10, 11 ou 26 dimensões, dependendo da teoria específica e no ponto de vista.

O interesse na teoria das cordas é impulsionado em grande parte pela esperança de que ele irá revelar-se uma teoria consistente de gravidade quântica ou mesmo um teoria de tudo. Ele também pode descrever naturalmente interações similares ao eletromagnetismo e as outras forças da natureza. Teorias das supercordas incluem férmions, os blocos de construção da matéria , e incorporar supersimetria, uma conjectura (mas não observada) simetria da natureza. Ainda não se sabe se a teoria da corda será capaz de descrever um universo com a recolha precisa das forças e partículas que é observado, nem quanto a teoria liberdade permite escolher esses detalhes.

A teoria das cordas como um todo ainda não fez previsões falseáveis que lhe permitam ser testadas experimentalmente, embora várias observações e experimentos planejados poderia confirmar alguns aspectos essenciais da teoria, como a supersimetria e dimensões extras. Além disso, a teoria completa não é ainda compreendido. Por exemplo, a teoria ainda não tem uma definição satisfatória de fora teoria de perturbação; as mecânica quântica de branas (objetos de dimensões mais elevadas do que cordas) não é compreendido; o comportamento da teoria das cordas em contextos cosmológicos (dependentes do tempo de fundo) ainda está sendo elaborado; finalmente, o princípio pelo qual a teoria das cordas seleciona seu estado de vácuo é um tema muito disputado (ver corda paisagem da teoria).

A teoria das cordas é pensado para ser um certo limite de outro, a teoria mais fundamental - a teoria-M - que é apenas parcialmente definida e não é bem compreendida.

Propriedades básicas

A teoria das cordas é formulada em termos de uma princípio de ação, tanto o Ação Nambu-Goto ou o Ação Polyakov, que descreve como cordas mover através do espaço e do tempo. Como molas com nenhuma força externa aplicada, as cordas tendem a diminuir, minimizando, assim, sua energia potencial, mas conservação de energia impede de desaparecer, e ao invés disso eles oscilar. Ao aplicar as idéias da mecânica quântica para cordas é possível deduzir os diferentes modos de vibração de cordas, e que cada estado vibracional parece ser uma partícula diferente. A massa de cada partícula, ea forma com a qual ele pode interagir, são determinados pela forma como a corda vibra - a corda pode vibrar em muitos modos diferentes, assim como uma corda de violão pode produzir notas diferentes. Os modos diferentes, cada um correspondendo a um tipo diferente de partícula, compõem o " espectro "da teoria.

Strings podem dividir e combinar, que aparecem como partículas que emitem e absorvem outras partículas, presumivelmente dando origem às interacções conhecidas entre partículas.

A teoria das cordas inclui tanto cordas abertas, que têm duas extremidades distintas, e cordas fechadas, onde os pontos finais são unidos para fazer um loop completo. Os dois tipos de seqüência de se comportar de forma ligeiramente diferente, dando origem a dois espectros diferentes. Por exemplo, na maioria das teorias de cadeia, um dos modos das cordas fechadas é a gravitón, e um dos modos de cadeia aberta é a de fotões . Porque as duas extremidades de uma corda aberta sempre pode encontrar e se conectar, formando uma cadeia fechada, não há teorias das cordas sem cordas fechadas.

O modelo de cadeia mais antiga - o cordas bosônicas, que incorporou única bosões, descreve - em baixas energias suficientes - um quantum gravidade teoria, que também inclui (se cordas abertas são incorporados como bem) medir campos tais como o fotão (ou, mais geralmente, qualquer teoria de gauge). No entanto, este modelo tem problemas. Mais importante ainda, a teoria tem uma instabilidade fundamentais, que se acredita resultar na deterioração (pelo menos parcialmente) do próprio espaço-tempo. Além disso, como o nome indica, o espectro de partículas contém apenas bósons, partículas que, como o fóton, obedeça as regras específicas de comportamento. Grosso modo, bosões são os constituintes de radiação, mas não de matéria, o qual é feito de fermiones. Investigando como uma teoria das cordas pode incluir fermiones no seu espectro levou à invenção de supersimetria, uma relação matemática entre bósons e férmions. Teorias das cordas que incluem vibrações de férmions são agora conhecido como teorias de supercordas; vários tipos diferentes foram descritos, mas todos estão agora pensado para ser diferentes limites da teoria-M .

Enquanto compreender os pormenores das teorias das cordas e supercordas requer considerável sofisticação matemática, algumas propriedades qualitativas de cordas quânticas pode ser entendido de uma forma bastante intuitiva. Por exemplo, cordas quânticas têm tensão, bem como cordas regulares feitos de barbante; essa tensão é considerada um parâmetro fundamental da teoria. A tensão de uma corda quântica está intimamente relacionado ao seu tamanho. Considere um circuito fechado de corda, deixou de se mover através do espaço sem forças externas. Sua tensão tenderá a contraí-lo em um loop cada vez menor. Intuição clássica sugere que poderia encolher a um único ponto, mas isso violaria Heisenberg O princípio da incerteza. O tamanho característico do laço da corda será um equilíbrio entre a força de tensão, actuando para tornar mais pequeno, e o efeito de incerteza, que evita que ele "estirado". Por conseguinte, a dimensão mínima de uma cadeia de caracteres está relacionada com a tensão da corda.

Worldsheet

Um movimento da partícula semelhante a ponto pode ser descrito por um desenho gráfico da sua posição (em uma ou duas dimensões do espaço) contra o tempo. A imagem resultante mostra a Worldline da partícula (a sua "história") em espaço-tempo. Por analogia, um gráfico similar que descreve o progresso de uma seqüência de caracteres como o tempo passa pode ser obtida; a cadeia (um objecto unidimensional - uma pequena linha - por si só) irá traçar uma superfície (um bidimensional colector ), conhecido como o worldsheet. Os diferentes modos de cordas (representando diferentes partículas, tais como fótons ou gráviton) são as ondas de superfície nesta manifold.

A corda fechado parece com um pequeno laço, pelo que a sua worldsheet será parecido com um tubo, ou - de modo mais geral - como uma superfície de Riemann (um dois-dimensional colector orientado) sem limites (ou seja, sem borda). Uma corda aberta parece com uma linha curta, pelo que a sua worldsheet vai olhar como uma tira, ou - de modo mais geral - como uma superfície de Riemann com um limite.

Cordas pode dividir e se conectar. Isto reflecte-se na forma dos seus worldsheet (mais precisamente, pela sua topologia ). Por exemplo, se os splits de cordas fechadas, sua worldsheet será parecido com uma única divisão da tubulação (ou conectado) para dois tubos (muitas vezes referida como um par de calças - veja o desenho no topo desta página). Se splits cordas fechadas e suas duas partes depois se reconectar, a sua worldsheet será parecido com uma única divisão de tubos para dois e depois voltar a ligar, o que também parece um toro ligado a dois tubos (um representando a seqüência ingoing, eo outro - o de saída um). Uma corda aberta fazendo a mesma coisa terá o seu worldsheet parecendo um anel ligado a duas tiras.

Note-se que o processo de uma cisão de cadeia (ou cordas de ligação) é um processo global da worldsheet, não um local, uma: localmente, o worldsheet parece o mesmo em todos os lugares e não é possível determinar um único ponto na worldsheet onde a divisão ocorre. Por conseguinte, estes processos são uma parte integrante da teoria, e são descritos pela mesma dinâmica que controla os modos das cordas.

Em algumas teorias das cordas (ou seja, cordas fechado em Tipo I e algumas versões do cordas bosônicas), cordas pode dividir e se reconectar com uma orientação oposta (como em um Fita de Möbius ou uma garrafa de Klein ). Essas teorias são chamados não orientada. Formalmente, a worldsheet nessas teorias é uma superfície não orientável.

Dualidades

Antes de 1990, os teóricos das cordas acreditavam que havia cinco teorias das supercordas distintas: tipo I, tipos IIA e IIB, e os dois teorias das cordas (heterótica SO (32) e E 8 × E 8). A idéia era que das cinco teorias candidatos, apenas um era o real correto teoria de tudo, e que a teoria era aquele cuja energia de baixo limite, com dez dimensões espaço-temporais compactadas para baixo a quatro, correspondeu a física observadas em nosso mundo hoje. Sabe-se agora que esta imagem foi naïve, e que as cinco teorias supercordas são ligados uns aos outros como se fossem cada um caso especial de uma teoria mais fundamental (pensado para ser teoria-M ). Essas teorias estão relacionados por transformações que são chamados de dualidades. Se duas teorias estão relacionados por uma transformação dualidade, isto significa que a primeira teoria pode ser transformado, de alguma forma, de modo que ele acaba ficando assim como a segunda teoria. As duas teorias são, então, disse a ser dupla uns aos outros sob esse tipo de transformação. Dito de outro modo, as duas teorias são matematicamente diferentes descrições dos mesmos fenômenos.

Essas dualidades vincular quantidades que também foram pensados para ser separado. Escalas de distância grandes e pequenas, bem como os pontos fortes de acoplamento fortes e fracos, são quantidades que sempre marcaram limites muito distintos de comportamento de um sistema físico em ambos clássico teoria do campo quântico e física de partículas . Mas cordas pode obscurecer a diferença entre grandes e pequenos, fortes e fracos, e esta é a forma como estes cinco teorias muito diferentes acabam sendo relacionado. T-dualidade relaciona as escalas pequenas e grandes distâncias entre teorias das cordas, enquanto S-dualidade refere forças fortes e fracos de acoplamento entre teorias das cordas. U-dualidade liga T-dualidade e S-dualidade.

Antes da "revolução dualidade" não se acreditava serem cinco versões distintas da teoria das cordas, mais as teorias bosônicos e gluonic (instável).

Teorias das cordas
Tipo Dimensões espaço-temporais
Detalhes
Bosônico 26 Somente bósons, não férmions, ou seja, apenas as forças, não importa, com ambas as cordas abertas e fechadas; grande falha: uma partícula com massa imaginária, chamada de tachyon, representando uma instabilidade na teoria.
EU 10 Supersimetria entre as forças ea matéria, com cordas abertas e fechadas; não tachyon; simetria é grupo SO (32)
IIA 10 Supersimetria entre as forças e matéria, com cordas fechadas e cordas abertas vinculados a D-branas; não tachyon; massless férmions girar em ambos os sentidos (aquiral)
IIB 10 Supersimetria entre as forças e matéria, com cordas fechadas e cordas abertas vinculados a D-branas; não tachyon; massless férmions única girar uma forma (quiral)
HO 10 Supersimetria entre as forças e matéria, com apenas cadeias fechados; não tachyon; heterótica, significando direita e à esquerda se movendo em movimento cordas diferem; simetria é grupo SO (32)
HE 10 Supersimetria entre as forças e matéria, com apenas cadeias fechados; não tachyon; heterótica, significando direita e à esquerda se movendo em movimento cordas diferem; simetria é grupo E 8 × E 8

Note-se que no tipo IIA e IIB tipo teorias das cordas fechadas cordas estão autorizados a circular por todo o ten-dimensional do espaço-tempo (chamado de a maior parte), enquanto cordas abertas têm suas extremidades ligada a D-branas, que são membranas de baixa dimensionalidade (a sua dimensão é estranho - 1,3,5,7 ou 9 - no tipo IIA e até mesmo - 0,2,4,6 ou 8 - no tipo IIB, incluindo a direcção do tempo ).

Dimensões extras

Número de dimensões

Uma característica intrigante da teoria das cordas é que ela envolve a previsão de dimensões extras. O número de dimensões não é fixo por qualquer critério de consistência, mas soluções de espaço-tempo planas não existem no chamado "dimensão crítica". Soluções cosmológicas existir em uma maior variedade de dimensionalidades, e essas dimensões, mais precisamente diferentes valores diferentes da "carga central efectivo", uma contagem de graus de liberdade que reduz a dimensionalidade em regimes fracamente-são curvos relacionados por transições dinâmicas.

Nada no Maxwell 's teoria do eletromagnetismo ou Einstein 's teoria da relatividade faz esse tipo de predição; essas teorias exigem físicos para inserir o número de dimensões "à mão", e este número é fixo e independente de energia potencial. A teoria das cordas permite relacionar o número de dimensões para escalar energia potencial. Tecnicamente, isso acontece porque um bitola existe anomalia para cada número separado de dimensões previstos, ea anomalia calibre pode ser combatido por incluindo a energia potencial não trivial em equações para resolver movimento. Além disso, a ausência de energia potencial na "dimensão crítica" explica por que as soluções de espaço-tempo são possíveis planas.

Isto pode ser melhor compreendida fazendo notar que um fotão incluídos numa teoria consistente (tecnicamente, uma partícula que leva uma força relacionada a um ininterrupta simetria de medida) devem ser sem massa. A massa do fotão que é previsto pela teoria da corda depende da energia de modo a cadeia que representa o fotão. Esta energia inclui uma contribuição do efeito Casimir , ou seja, a partir de flutuações quânticas na seqüência. O tamanho desta contribuição depende do número de dimensões desde para um maior número de dimensões, não são mais possíveis variações na posição das cordas. Portanto, o plano de fotões no espaço-tempo será sem massa e a teoria consistente-se a um número particular de dimensões.

Quando o cálculo é feito, a dimensionalidade é crítico não quatro, como se pode esperar (três eixos de um espaço e de tempo). Teorias das cordas espaço plano são 26-dimensional no caso bosônico, enquanto supercordas e M-teorias vir a envolver 10 ou 11 dimensões para soluções planas. Em teorias das cordas bosônicos, as 26 dimensões vir a partir da equação Polyakov. A partir de qualquer dimensão superior a quatro, é necessário considerar como estes são reduzidos a quatro dimensional espaço-tempo.

Colector de Calabi-Yau ( 3D projeção)

Dimensões compactas

Dois modos diferentes foram propostos para resolver esta contradição aparente. A primeira é a compactificadas as dimensões extras; ou seja, os 6 ou 7 dimensões extras são tão pequena quanto a ser indetectável em nossa experiência fenomenal. A fim de reter as propriedades supersymmetric da teoria das cordas, estes espaços devem ser muito especial. A resolução do modelo 6-dimensional é conseguido com Espaços de Calabi-Yau. Em 7 dimensões, eles são denominados G dois manifolds. Estas dimensões extras são compactadas, causando-lhes para loop de volta sobre si mesmos.

Uma analogia padrão para este é de considerar o espaço multidimensional como uma mangueira de jardim. Se a mangueira é visto a partir de uma distância suficiente, parece ter apenas uma única dimensão, o seu comprimento. Na verdade, acho que de uma bola pequena o suficiente para entrar na mangueira. Jogando uma tal bola dentro da mangueira, a esfera iria mover-se mais ou menos em uma dimensão; em qualquer experiência fazemos jogando tais bolas na mangueira, o único movimento que será importante unidimensional, isto é, ao longo da mangueira. No entanto, medida que nos aproximamos da mangueira, descobre-se que ele contém uma segunda dimensão, a sua circunferência. Assim, uma formiga rastejando dentro dele iria mover em duas dimensões (e uma mosca em que iria mover em três dimensões). Esta "dimensão extra" é visível somente dentro de um intervalo relativamente perto da mangueira, ou se uma "lança em" pequenos objetos suficientes. Da mesma forma, as dimensões extras compactas são apenas "visível" no extremamente pequenas distâncias, ou experimentando com partículas com extremamente pequeno comprimentos de onda (da ordem de raio da dimensão compacta), que na mecânica quântica significa muito altas energias (ver dualidade onda-partícula ).

Brane cenário mundial

Outra possibilidade é que nós somos "preso" em um 3 + 1 (ou seja, três dimensões espaciais mais o tempo de dimensão) dimensionais subespaço de todo o universo. Este subespaço é suposto ser um D-brana, portanto, isso é conhecido como um teoria mundobrana. Muitas pessoas acreditam que alguma combinação das duas idéias - compactification e branas - acabará por ceder a teoria mais realista.

Efeito das dimensões ocultas

Em ambos os casos, a gravidade atuando nas dimensões ocultas afeta outras forças não-gravitacionais, tais como eletromagnetismo. Na verdade, Kaluza e os primeiros trabalhos de Klein demonstrou que a relatividade geral com quatro grandes dimensões e uma dimensão pequena, na verdade, prevê a existência de eletromagnetismo. No entanto, por causa da natureza de Manifolds Calabi-Yau, não há novas forças aparecer a partir das pequenas dimensões, mas a sua forma tem um efeito profundo sobre a forma como as forças entre as cordas aparecem em nosso universo de quatro dimensões. Em princípio, portanto, é possível deduzir a natureza dessas dimensões extras, exigindo coerência com o modelo padrão , mas isso ainda não é uma possibilidade prática. Também é possível extrair informações sobre as dimensões ocultas por testes de precisão da gravidade, mas até agora estes só têm colocado limitações superiores do tamanho de tais dimensões ocultas

D-branas

Outra característica fundamental da teoria das cordas é a existência de D-branas. Estas são as membranas de dimensionalidade diferente (em qualquer lugar de uma membrana de dimensão zero - que é na verdade um ponto - e para cima, incluindo membranas 2 dimensões, volumes 3-dimensionais e assim por diante).

D-branas são definidas pelo facto worldsheet limites estão ligados a eles. Assim, D-branas podem emitir e absorver cordas fechadas; portanto, eles têm massa (uma vez que eles emitem grávitons) e - em teorias de supercordas - cobrar, bem como (já que eles emitem cordas fechadas que são bósons).

Do ponto de vista de cordas abertas, D-branas são objectos aos quais as extremidades das cadeias abertas estão ligados. As cordas abertas ligados a um D-branas são disse a "viver" nele, e eles dão origem a avaliar teorias "vivem" nele (já que um dos modos de corda aberta é uma bóson de calibre, como o fóton). No caso de um D-brana haverá um tipo de um medidor e Higgs teremos uma Teoria de calibre Abelian (com o bóson de calibre sendo o fóton ). Se houver vários D-branas paralelas haverá vários tipos de bósons, dando origem a uma teoria de calibre não-Abelian.

D-branas são, portanto, fontes gravitacionais, em que uma teoria de calibre "vive". Esta teoria de gauge é acoplado a gravidade (que é dizer que existe em grandes quantidades a), de modo que, normalmente, cada um destes dois pontos de vista diferentes é incompleta.

Medida bósons e D-branas

A teoria das cordas afirma que um Bóson de calibre pode ter cada uma das extremidades da corda em branes separadas. A massa da cadeia (Medida Higgs) é proporcional à separação das duas membranas. Para cada Comprimento de Planck que a corda está esticada, aproximadamente uma unidade de massa Plank é adquirida. Foi teorizado por AJB que a corda poderia se tornar massa suficiente para se tornar um buraco negro , o que poderia ser uma outra possibilidade para a formação do buraco negro. Para que isso aconteça, a cadeia teria de se tornar compactado em uma "bola string ', de modo que a massa poderia tornar-se concentrado o suficiente para formar um buraco negro. Se foram detectados tais buracos negros, eles poderiam fornecer evidência para a teoria das cordas. Eles seriam todos mais ou menos a mesma massa (que contêm informações sobre a separação das membranas), e eles não seria necessariamente em galáxias. Estes são pensamentos muito interessantes e eles abrem muitas possibilidades.

Bitola de gravidade dualidade

Medida gravidade dualidade é uma dualidade de conjectura entre uma teoria quântica da gravidade em certos casos e medir teoria em um menor número de dimensões. Isto significa que cada fenómeno previsto e uma quantidade em teoria tem um análogo na outra teoria, com um "dicionário" tradução de uma teoria para o outro.

Descrição da dualidade

Em certos casos, o teoria de calibre no D-branas é dissociada da gravidade vivendo na massa; cordas, assim, abertos ligados às D-branas não são interagir com cadeias fechadas. Tal situação é denominado um limite de dissociação.

Nesses casos, os D-branas tem duas descrições alternativas independentes. Como discutido acima, a partir do ponto de vista de cadeias fechadas, os D-branas são fontes gravitacionais, e, portanto, temos uma teoria gravitacional no espaço-tempo com alguns campos do fundo. Do ponto de vista de cordas abertas, a física do D-branas é descrita pela teoria de calibre adequado. Portanto, em tais casos, é muitas vezes conjecturado que a teoria gravitacional no espaço-tempo com os campos de fundo adequados é dupla (isto é, fisicamente equivalente) para a teoria de calibre no limite deste espaço-tempo (desde o subespaço preenchido pelos D-branas é o limite de este espaço-tempo). Até agora, essa dualidade não foi provado em todos os casos, assim também há discordância entre os teóricos das cordas sobre o quão forte a dualidade aplica-se a vários modelos.

Exemplos e intuição

O exemplo mais bem conhecido eo primeiro a ser estudado é a dualidade entre o Tipo IIB supergravity em anúncios 5 \ times S 5 (a espaço produto de um cinco-dimensional Anti espaço de Sitter e uma esfera de cinco), por um lado, e N = 4 supersymmetric Teoria de Yang-Mills no limite de quatro dimensões do espaço Anti de Sitter (ou um apartamento de quatro dimensões do espaço-tempo ou R 3,1 a três esfera com o tempo S 3 \ times R). Isto é conhecido como o Correspondência AdS / CFT, um nome freqüentemente usado para Calibre / gravidade dualidade em geral.

Esta dualidade pode ser pensado como segue: suponha que existe um espaço-tempo com uma fonte gravitacional, por exemplo, um buraco negro extremal. Quando as partículas estão longe de esta fonte, eles são descritos por cordas fechadas (ou seja, uma teoria gravitacional, ou normalmente supergravity). À medida que as partículas se aproximam da fonte gravitacional, que pode ainda ser descrito por cadeias fechadas; alternativamente, eles podem ser descritos por objectos semelhantes para Cordas QCD, que são feitas de bósons ( glúons) e outros medir graus teoria da liberdade. Portanto, se um é capaz (em um limite de dissociação) para descrever o sistema gravitacional como duas regiões distintas - um (a granel) longe da fonte, eo outro perto da fonte - então a última região também podem ser descritos por uma avaliar teoria sobre D-branas. Esta última região (perto da fonte) é denominado o limite próximo do horizonte, já que normalmente há uma horizonte de eventos ao redor (ou ao) a fonte gravitacional.

Na teoria gravitacional, uma das direcções no espaço-tempo, é a direcção radial, indo a partir da fonte gravitacional e longe (para a granel). A teoria de calibre vive apenas no próprio D-brana, por isso não inclui a direção radial: ele vive em um espaço-tempo com um a menos dimensão em comparação com a teoria gravitacional (na verdade, ele vive em um espaço-tempo idêntico ao limite do quase horizonte teoria gravitacional). Vamos entender como as duas teorias ainda são equivalentes:

A física do próximo horizonte teoria gravitacional envolve apenas estados on-shell (como de costume na teoria das cordas), enquanto a teoria de campos inclui também off-shell função de correlação. Os sobre-shell estados na teoria gravitacional quase horizonte pode ser pensado como descrever apenas as partículas que chegam do volume à região junto ao horizonte e interagindo entre si lá. Em teoria o calibre estes são "projectado" para o limite, de modo que as partículas que chegam à fonte a partir de diferentes direcções será visto na teoria como bitola (fora do invólucro) flutuações quânticas distantes um do outro, enquanto que as partículas que chegam no fonte de quase a mesma orientação no espaço será visto na teoria como bitola (fora do invólucro) flutuações quânticas próximos uns dos outros. Assim, o ângulo entre as partículas que chegam à teoria gravitacional traduz para a escala de distância entre as flutuações na teoria quântica calibre. O ângulo entre as partículas que chegam à teoria gravitacional está relacionada com a distância radial a partir da fonte gravitacional à qual as partículas interagem: quanto maior for o ângulo, o mais perto as partículas têm de chegar à fonte, a fim de interagir umas com as outras. Por outro lado, a escala da distância entre as flutuações quânticas em uma teoria quântica de campos está relacionado (inversamente) para a escala de energia nesta teoria. Tão pequeno raio na teoria gravitacional traduz em baixa escala de energia na teoria gauge (ou seja, o regime do IR teoria de campo), enquanto grande raio na teoria gravitacional traduz em escala de alta energia no teoria de gauge (ou seja, o regime UV da teoria de campo).

Um exemplo simples a este princípio é que, se na teoria gravitacional há uma configuração em que o dilaton campo (o qual determina a força da acoplamento) está diminuindo com o raio, então sua teoria de campo dupla será assintoticamente livre, ou seja, o seu acoplamento vai crescer mais fraca em altas energias.

Contato com experiência

Este ramo da teoria das cordas pode levar a novos insights sobre cromodinâmica quântica, uma teoria de calibre que é a teoria fundamental da força nuclear forte. Para este fim, espera-se que uma teoria gravitacional dupla de cromodinâmica quântica será encontrado.

Na verdade, um contato com vaga experimento já foi reivindicado ter ser alcançado embora atualmente a alternativa, Malha QCD, está fazendo um trabalho muito melhor e já fez contato com experiências em vários campos com bons resultados, embora os cálculos são numérico, em vez de analítica.

Lista de problemas não resolvidos da física
É a teoria das cordas, teoria das supercordas ou a teoria-M , ou outra variação sobre o tema, um passo no caminho para uma " teoria de tudo, "ou apenas um beco sem saída?

Problemas e controvérsia

Embora historicamente a teoria das cordas é uma conseqüência da física, alguns afirmam que a teoria das cordas deve (em sentido estrito) ser classificado como algo diferente do que ciência. Para uma teoria científica para ser válida, deve ser corroborada empiricamente , ou seja, através experiência ou observação. Alguns caminhos para tal contato com o experimento foram reivindicados. Com a construção do Large Hadron Collider em CERN alguns cientistas esperam produzir dados relevantes, embora acredita-se amplamente que qualquer teoria de gravidade quântica exigiria energias muito mais altas para sondar directamente. Além disso, a teoria das cordas, como é atualmente entendida tem um grande número de igualmente possíveis soluções. Assim que tem sido afirmado por alguns cientistas de que a teoria das cordas pode não ser refutável e não pode ter nenhuma poder preditivo.

A teoria das cordas ainda deve ser confirmada. Nenhuma versão da teoria das cordas ainda fez uma previsão experimentalmente verificado que difere daquelas feitas por outras teorias. As escalas de energia a qual seria possível ver a natureza fibrosa das partículas é muito maior do que experimentalmente acessível. Ele possui muitas características de interesse matemática e naturalmente incorpora todas as características brutas do modelo padrão , tais como grupos não-abeliana e férmions quirais. Porque a teoria das cordas não podem ser testados num futuro próximo, alguns cientistas têm perguntado se ele ainda merece ser chamado de um teoria científica; não é refutável no sentido de Popper .

Também tem sido sugerido que a teoria das cordas é melhor pensado como um quadro para a construção de modelos, da mesma forma que a teoria do campo quântico é um quadro.

Ideias de teoria das cordas têm tido uma grande influência sobre as propostas para a física além do Modelo Padrão. Por exemplo, enquanto a supersimetria é um ingrediente vital da teoria das cordas, os modelos supersimétricas com nenhuma conexão óbvia a teoria das cordas são também estudados. Portanto, se supersymmetry foram detectados no Large Hadron Collider não seria visto como uma confirmação direta da teoria. No entanto, se a supersimetria não foram detectadas, existem vácuos na teoria das cordas em que a supersimetria só seriam visíveis a energias muito mais elevadas, pelo que a sua ausência não seria falsificar a teoria das cordas. Em contrapartida, se, ao observar estrelas durante um eclipse solar , a gravidade do Sol não tinha desviado luz pela quantidade prevista, em seguida, de Einstein da relatividade geral teoria teria sido provado errado.

Em um nível mais matemático, um outro problema é que, como muitas teorias quânticas de campo , muito da teoria das cordas é ainda só formulados perturbativamente (ou seja, como uma série de aproximações, em vez de como uma solução exacta). Embora as técnicas não perturbativas tenham progredido consideravelmente - incluindo conjecturou definições completas em espaços-tempos que satisfaçam determinadas asymptotics - um completo definição não-perturbativa da teoria ainda está faltando.

No entanto, outro problema central da teoria das cordas é que os fundos melhor compreendidos da teoria das cordas preservar grande parte da supersimetria da teoria subjacente, o que resulta em espaços-tempos invariantes no tempo: atualmente a teoria das cordas não pode lidar bem com, fundos cosmológicas dependentes do tempo.

As duas edições anteriores estão relacionados a um problema mais profundo: a teoria das cordas pode não ser verdadeiramente fundamental na sua formulação actual, pois é dependente de fundo - a teoria das cordas descreve expansões perturbativas cerca de espaço-tempo fundos fixos. Alguns vêem a independência de fundo como uma exigência fundamental de uma teoria da gravidade quântica, particularmente desde que a Relatividade Geral é já fundo independente. Em resposta a essas críticas, alguns teóricos das cordas discordar que background-independência deve ser um princípio orientador, enquanto outros esperam que a teoria-M , ou um tratamento não-perturbativa da teoria das cordas (como teoria de campo string) vai passar a ser fundo independente de, dando como soluções as muitas versões diferentes da teoria das cordas com as diferentes origens.

Outro problema é que a estrutura de vácuo da teoria, a chamada teoria da paisagem cadeia, não é bem compreendido. Como a teoria das cordas é presentemente compreendido, afigura-se a conter um grande número de distintos, meta-estável vácuos, talvez de 10 500 ou mais. Cada um deles corresponde a um universo diferente, com um conjunto diferente de partículas e as forças. O princípio, se for o caso, pode ser utilizado para seleccionar entre estas vácuos é uma questão em aberto. Embora não existam variáveis ​​contínuas conhecidas na teoria, há uma muito grande discretuum (cunhada em contraste com contínuo) de universos possíveis, os quais podem ser radicalmente diferentes uns dos outros. Alguns físicos acreditam que este é um benefício da teoria, pois pode permitir que uma pessoa singular explicação antrópica dos valores observados de constantes físicas, em particular o pequeno valor do constante cosmológica. No entanto, essas explicações não são geralmente considerados como científica no Popperiana sentido.

A teoria das cordas não prever, pelo menos perturbativamente, que pelo suficientemente altas energias-que são, provavelmente perto da gravidade quântica escala-a natureza corda-like de partículas deve ser aparente. Por exemplo, não deve ser cópias mais pesadas de todas as partículas correspondentes harmónicos mais elevados para corda. No entanto, não está claro o que essas energias são. No caso limite, essas energias seria de um milhão de bilhões (dez seguido de catorze zeros) vezes maior do que aqueles acessíveis no mais novo acelerador, o LHC.

Na sequência do aparecimento de dois livros que reivindicam a teoria das cordas é um fracasso, um debate quente mídia tem evoluído a partir de 2007.

"Por mais de uma geração, os físicos têm sido perseguindo uma vontade-o'-the-wisp chamada teoria das cordas. O início dessa perseguição marcou o fim do que tinha sido três quartos de um século de progresso Dezenas de da teoria das cordas. conferências têm sido realizadas, centenas de novos Ph.Ds foram cunhadas, e milhares de artigos foram escritos. No entanto, apesar de toda essa atividade, não uma única nova previsão testável tem sido feito, nem um único enigma teórico foi resolvido. Em fato, não há nenhuma teoria até agora, apenas um conjunto de palpites e cálculos que sugerem que pode existir uma teoria E, mesmo se ele for, esta teoria virá em um número tão desconcertante de versões que não será de nenhum uso prático.: uma Teoria do Nada ".

História

A primeira pessoa a adicionar uma quinta dimensão à de Einstein da relatividade geral era matemático alemão Theodor Kaluza em 1919. A razão para a unobservability da quinta dimensão (sua compacidade) foi sugerida pelo físico sueco Oskar Klein em 1926 (ver teoria Kaluza-Klein) . Estas previsões iria definir as bases para a teoria das cordas, introduzindo o conceito de dimensões extras.

A teoria das cordas foi originalmente desenvolvido e explorado durante o final dos anos 1960 e início dos anos 1970 para explicar algumas peculiaridades do comportamento dos hádrons ( partículas subatômicas, como o de prótons e nêutrons , que experimentam a força nuclear forte). Em particular, Yoichiro Nambu (e mais tarde Lenny Susskind e Holger Nielsen ) realizado em 1970 que o modelo de ressonância dupla de interacções fortes pode ser explicada por um modelo de mecânica quântica de cordas. Esta abordagem foi abandonada como uma teoria alternativa, cromodinâmica quântica, ganhou apoio experimental, mas recentemente reapareceu no contexto da correspondência AdS / CFT.

Durante meados dos anos 1970, foi descoberto que o mesmo formalismo matemático pode ser usado para descrever uma teoria da gravidade quântica. Isto levou ao desenvolvimento de teoria das cordas bosônico, que ainda é a versão primeiro ensinou a muitos alunos.

Entre 1984 e 1986, os físicos perceberam que a teoria das cordas poderiam descrever todas as partículas elementares e as interações entre eles, e centenas deles começou a trabalhar na teoria das cordas como a idéia mais promissora para unificar as teorias da física. Isto é conhecido como o primeiro revolução das supercordas.

Em meados de 1990, Joseph Polchinski descobriu que a teoria exige a inclusão de objectos de dimensão superior, chamado de D-branas. Estes acrescentou uma estrutura matemática rica adicional à teoria, e abriu muitas possibilidades para a construção realistas modelos cosmológicos na teoria.

Em 1995, na conferência anual de teóricos das cordas da Universidade do Sul da Califórnia (USC),Edward Witten deu seu famoso discurso sobre a teoria das cordas que, essencialmente, uniu as cinco teorias das cordas que existiam na época, e dando origem a um novo 11- teoria dimensional chamadateoria-M. Isso provocou o segunda revolução das supercordas.

Em 1997 Juan Maldacena conjecturou uma relação entre a teoria das cordas e uma teoria de calibre chamado N = 4 supersymmetric Teoria de Yang-Mills. Esta conjectura, chamada de correspondência AdS / CFT tem gerado um grande interesse no campo e é agora bem aceite. É uma realização concreta do princípio holográfico, que tem implicações de longo alcance para os buracos negros , localidade e informações em física, bem como a natureza da interação gravitacional. Através desta relação, a teoria das cordas pode estar relacionada, no futuro, a cromodinâmica quântica e chumbo, eventualmente, para uma melhor compreensão do comportamento dos hádrons, voltando assim ao seu objetivo original.

Recentemente, a descoberta dapaisagem da teoria da corda, o que sugere que a teoria das cordas tem uma exponencialmente grande número de vácuos diferente, levou a discussões sobre o que a teoria das cordas poderiam eventualmente ser esperado de prever, e à preocupação de que a resposta pode continuar a ser nada .

Cultura popular

  • O livro O Universo Elegante por Brian Greene, professor de Física na Universidade de Columbia, foi adaptado em um documentário de três horas para Nova e também exibido na televisão britânica. Ele também foi mostrado pela Discovery Channel em Indiana televisão, bem como na Austrália em SBS.
  • Teoria das Cordas é também uma trilogia de romances baseados na Star Trek: Voyagersérie de televisão.
  • O espaço de Calabi-Yau é mencionado em referência a uma questão hipotéticateletransporte quântico (QT para o short) nos romances ?lio e Olympos, porficção científica escritor Dan Simmons.Além disso, vários outros hipotéticos quântica-mecânica e conceitos relacionados com a teoria de cordas são empregados e até certo ponto explicado ou descrito nos livros:buracos Brane,universos paralelos,singularidades (buracos negrosedos wormholes), dispositivos de morphing / shapeshifting "quantum" e a natureza probabilística intrínseca da teoria da mecânica quântica.
  • Em " Sonhos de HP Lovecraft na Witch-House ", um episódio dos Série da Showtime Masters of Horror(baseado emuma história de HP Lovecraft e dirigido porStuart Gordon), um jovem estudante de graduação daUniversidade estudos Miskatonic teoria das cordas interdimensional em seu apartamento partem e descobre a interseção de duas realidades separadas.
  • A teoria das cordas e sua filosofia relacionada aparece com destaque noRio de Deuses, um romance de ficção científica porIan McDonald situado futurista Índia.
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