Про нас Арти Милана Шеана Кайл
Логин 
Пароль  регистрация
забыли пароль?

Обо мне
Обо всем
О Канаде
Иммиграционный процесс
Об играх
Мысли вслух
Творения
Находки

<< окт >>        << 2009 >>
ВсПнВтСрЧтПтСб
    123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728293031
 
Арти
О теории струн вкратце от дилетанта 23-Окт-09, Птн, 15:27

Пару дней назад я пообещал Ириневижн рассказать о теории струн, а обещания надо выполнять.

Сразу предупреждаю: я не физик. Т.е. физику в универе я проходил, но в качестве факультатива. Так что в общем и целом всё, что написано ниже есмь мой дилетантский взгляд на то, что такое теория струн, изложенный в краткой (насколько это возможно) и легкодоступной (насколько это возможно) форме и призванный дать абсолютным "не-физикам" какое-то общее представление.

Для начала небольшое вступление. На данный момент в физике существуют два основных направления: квантовая механика (КМ) и теория относительности (ТО). Первая применяется к микромиру (т.е. ко всяческим элементарным частицам и их взаимодействиям), вторая - к макромиру (т.е. к космическим расстояниям, околосветовым скоростям, черным дырам и прочему подобному). Оба направления прекрасно работают. Т.е. мало того, что подтверждаются экспериментами, так еще и используются на практике. ТО, к примеру, используется в системах GPS. А КМ - в электронике, которой напичкан тот ящик, с помощью которого вы сейчас читаете эти строки.

Я еще раз подчеркну: оба направления работают. Т.е. они представляют из себя не непроверенные гипотезы, а вполне оформившиеcя теории, подтвержденные практическими экспериментами и практическим же использованием. Тем не менее существуют две проблемы (ну, проблем может не только две.. я говорю лишь о тех, о которых я знаю), которые современная физика пока не разрешила. Одна из проблем заключается в том, что два упомянутых направления не хотят стыковаться вместе. Т.е. если взять ТО и попытаться применить её на микроуровне - выходит лажа. Точно такая же лажа выходит, если попытаться применить КМ к макро-объектам. Предполагается, что микро-макро - это не принципиальное разделение и все законы должны работать одинаково на любом уровне. Предполагается, но не работает. В смысле, теоретические формулы не срабатывают - результаты вычислений получаются совершенно нереальными. Что говорит о том, что что-то в теориях не так - как в притче о слепых мудрецах, ощупывающих слона. Каждый из мудрецов абсолютно прав, но вместе их "правды" не складываются, потому что они являются частью более глобальной картины. Примерно также обстоят дела и с попытками совместить КМ с ТО. Так что, одно из текущих направлений в теоретической физике - попытка разработать более глобальную теорию (так называемую "Теорию Всего" ), которая включит в себя и КМ, и ТО. Теория струн - одно из подобных направлений.

Вторая проблема связана с многообразием частиц, которыми оперирует КМ. Есть, известные многим со школы, электроны, протоны и нейтроны. Но кроме них на данный момент каталогизировано несколько сотен различных элементарных частиц. Возникает вопрос, а почему такое многообразие? И почему частицы именно такие, какие они есть. Почему протон в 1836.15267247 раза тяжелее электрона? Почему не в 1835 или в 1837? В смысле, проблема в том, что если предположить существование какого-то самого-самого элементарного уровня, то на том уровне все элементы должны быть одинаковые. Эдакие базисные "кирпичики", из которых построены известные нам сотни элементарных частиц. В качестве аналогии могу привести детский конструктор а-ля "Лего": из одинаковых деталек можно собрать разные вещи. И, если посмотреть издалека, то можно удивиться многообразию "построек". Но каждая из этих "построек" будет состоять из абсолютно одинаковых "кирпичиков". В этом и заключается еще одно направление поиска - найти формулу, которая объяснит все то многообразие элементарных частиц, которое нам известно.

Одной из идей было то, что на самом деле все элементарные частицы являют собой один и тот же объект, но не трехмерный, а многомерный. А то многообразие которое мы наблюдаем в трехмерном мире, является результатом того, что существует много разных проекций одного и того же многомерного объекта на трехмерный мир. Наглядно это можно увидеть с помощью кубика - один и тот же кубик может в проекции давать квадрат, прямоугольник и даже шестиугольник. Зависит от того, каким боком его развернуть. В теории струн таким многомерным объектом является "струна" - эдакая "нитка", вибрирующая в 12-мерном пространстве (существует несколько направлений внутри самой теории струн, в которых мерность пространства иная) на определенных частотах. Определенных чисто математически - на струне может уместиться 1, 2, 3 и так далее периодов волны, но никак не 1.5 или 2.2 (в этом случае "волна" не будет "стоять" на одном месте, т.е. подобная струна не будет стабильным образованием). И вот эти вот самые вибрирующие многомерные струны в проекции на трехмерное измерение и дают все многообразие элементарных частиц. А также объясняют взаимодействия между ними (т.е. объясняет, к примеру, что получится, если столкнуть частицу А с частицей Б).

Поначалу теория струн была чуть ли не откровением. Казалось, что вот она - та самая "Теория Всего". Потом эйфории поубавилось. Во-первых, всё это было по большей части на бумаге: экспериментально проверить сию теорию не представляется возможным в обозримом будущем. Некоторые ее аспекты можно будет проверить на Большом Адронном Коллайдере, но - лишь некоторые аспекты. В 2003-ем же году один из создателей теории (Леонард Сасскинд) чуть ее же и не похоронил. Дело в том, что одним из показателей научности какой-либо теории является возможность её опровержения (для этого даже существует специальный термин - фальсифицируемость теории). Т.е. если теория принципиально не может быть опровергнута никаким экспериментом, то подобная теория - ненаучна. Если рассмотреть, к примеру, Теорию Относительности, то теоретически можно поставить эксперимент, который покажет, что нечто может перемещаться быстрее скорости света. Или что время при увеличении скорости не замедляется, как это предсказано теорией. Я подчеркну: имеется в виду чисто теоретическая возможность эксперимента, который покажет, что Теория  Относительности неверна. А такая возможность есть.

Существует один оригинальный пример на эту тему: теория о том, что "Бога нет", является научной, а теория о том, что "Бог есть" - научной не является. Почему? Потому что первую можно опровергнуть, а вторую - нет. Возможность опровержения первой теории представить довольно легко - если вдруг объявляется некая высшая сила и как-то конкретно себя проявляет - вот и опровержение теории о том, что "Бога нет". А вот вторую теорию ( "Бог есть" ) опровергнуть невозможно. Нельзя поставить никакой эксперимент, который опровергнет теорию, т.е. докажет несуществование Бога. Ибо всегда можно заявить, что Бог существует за рамками любых экспериментов.

Беда (ненаучность) неопровергаемых теорий заключается в том, что их никак нельзя проверить. В них можно либо верить, либо не верить, но проверить - никак. Ибо подобные теории по определению всегда срабатывают вне связи с тем, каким будет результат проверки. И, возвращаясь к 2003-ему году, Леонард Сасскинд именно это и обнаружил в теории струн - эту теорию можно подогнать под бесконечное множество разных результатов экспериментов. Т.е. каким бы ни был наш мир - он в любом случае укладывается в эту теорию. Все, что нужно - сменить немного коэфициенты в формулах. Т.е. теорию никак нельзя опровергнуть. А потому ее ценность (в научном плане) резко упала.

Такой вот краткий экскурс для "не-физиков".

Disclaimer: все вышенаписанное не претендует на какую-либо научность, а лишь является кратким описанием моего дилетантского понимания некоторых разделов физики.

 
 


Комментарии:


Гримнир
  23-Окт-09, Птн, 21:54

Пара поправок:

1. Относительность прекрасно работает и с квантовой механикой: это квантовая электродинамика, которая, собственно, и рулит с конца сороковых. Проблема несовместимости квантов с относительностью лежит немного в другой области: невозможно (во всяком случае, пока) расписать гравитацию методами квантовой механики. Сделать это очень интенсивно пытались в шестидесятые, потом тема заглохла и возродилась уже в девяностых-двухтысячных. И снова заглохла.

2. Кроме теоретических, есть и очень практические способы проверить теорию относительности. Более того, это было сделано много раз, в том числе и совершенно напрямую, в лоб. В начале семидесятых, американцы ставили такой эксперимент: взяли пару синхронизированных атомных часов, одни погрузили на самолёт, а вторые оставили в лаборатории. Когда самолёт полетал и вернулся, расхождение очень хорошо совпадало с расчётным. Вообще, есть огромное количество данных экспериментов и наблюдений, прямо подтверждающих теорию относительности и ни одного опровергающего.

Самый повседневный случай её использования - GPS: скорость передачи данных на спутники и со спутников такова, что, для корректной работы связи, приходится учитывать разность хода времени у Земли и на орбите.

 
Профиль
 


irinavision
  24-Окт-09, Сбт, 03:21

Артём, спасибо и ещё раз спасибо! В физике ничего не понимаю, но теорию, тобой изложенную, поняла вполне. Даже немного загордилась собой - вот, мол, и я в состоянии такое понять. Ну, тут, конечно, и объясняющему - лавры. Сама теория мне показалась очень красивой (понимаю, что слово не совсем уместно в данном контексте, но именно такой она мне ощутилась).

Очень заинтересовал пример с научностью и ненаучностью теорий "Бог есть" и "Бога нет".  Никогда не думала об этом, а сейчас представился случай задуматься. Интереснейшая тема!

(Одна просьба - называть меня просто Ирой).

 
Профиль
 


Карина
  24-Окт-09, Сбт, 06:47

   Темчик, большое спасибо за столь интересную статью! Ты вполне мог бы быть популяризатором сложных знаний, у тебя есть талант объяснить просто сложные для понимания темы. (Я имею ввиду, что мог бы  писать такие статьи или книги)

    Обязательно покажу сыну, он физику не учил - в программе его школы не было, думаю, ему будет интересно прочитать.

    Я прочитала с большим интересом, хотя физику учила и в школе и в институте, но 30 лет назад физика, очевидно, была еще другой, да и помню я весьма смутно, поскольку в жизни занималась совсем другими вещами .

   Спасибо!!!

 
Профиль
 


Арти
  24-Окт-09, Сбт, 08:59


Автор: Гримнир
Дата: 24-Окт-09, Сбт, 03:54

Пара поправок:

1. Относительность прекрасно работает и с квантовой механикой: это квантовая электродинамика, которая, собственно, и рулит с конца сороковых. Проблема несовместимости квантов с относительностью лежит немного в другой области: невозможно (во всяком случае, пока) расписать гравитацию методами квантовой механики. Сделать это очень интенсивно пытались в шестидесятые, потом тема заглохла и возродилась уже в девяностых-двухтысячных. И снова заглохла.

О, сенькс! Как только ты написал, так я сразу вспомнил, что проблема там была именно с гравитацией. Что-то типа "разорванного" пространства на микроуровне или что-то в этом роде.


2. Кроме теоретических, есть и очень практические способы проверить теорию относительности. Более того, это было сделано много раз, в том числе и совершенно напрямую, в лоб. В начале семидесятых, американцы ставили такой эксперимент: взяли пару синхронизированных атомных часов, одни погрузили на самолёт, а вторые оставили в лаборатории. Когда самолёт полетал и вернулся, расхождение очень хорошо совпадало с расчётным. Вообще, есть огромное количество данных экспериментов и наблюдений, прямо подтверждающих теорию относительности и ни одного опровергающего.

Ага, я знаю о практических экспериментах. Но в вопросе о фальсифицируемости, насколько я знаю (может ошибаюсь), важен даже не конкретный практический эксперимент, а его теоретическая возможность. В смысле, что можно придумать эксперимент, который можно поставить и получить опровергающий результат.


Самый повседневный случай её использования - GPS: скорость передачи данных на спутники и со спутников такова, что, для корректной работы связи, приходится учитывать разность хода времени у Земли и на орбите.

Я был просто изумлён, когда впервые прочитал об этом. Теория - теориями, но как-то думалось, что всё в ТО относится к "космическим" скоростям, массам и расстояниям, коими мы пока технически не оперируем. А тут - на тебе, обычная привычная (уже) технология и в ней напрямую используется ТО.

Для "не-физиков" поясню. Для точного позиционирования GPS-приёмнику нужно получить сигналы как минимум с трёх спутников, находящихся в разных направлениях. При этом важно получить точное время со спутника. И вот с точным временем и есть основная проблема. Во-первых, спутник перемещается и перемещается довольно быстро. По сравнению со скоростью света, конечно, он ползёт аки улитка, но тем не менее и этой скорости достаточно, чтобы время на спутнике замедлилось по сравнению с часами на Земле. И замедлилось на целых 7 микросекунд в сутки. Во-вторых, согласно ТО время вблизи массивных тел замедляется. И потому то, что мы находимся вблизи массивного тела (Земля), а спутник находится намного дальше, приводит к тому, что у нас время течёт медленнее, чем на спутнике на 45 мкс в сутки. В целом оба замедления накладываются и приводят к тому, что на Земле время течёт медленнее на 38 мкс в сутки, чем на спутнике. А это серьёзно. За это время свет пролетает километров 10. Т.е. порядок ошибки в определении положения спутников набегал бы на сутки примерно на такую величину. Чтобы компенсировать сей эффект часы на спутнике заранее запускают чуть медленнее, чем на Земле. Такое вот практическое применение ТО.

 
Профиль
 


Арти
  24-Окт-09, Сбт, 10:08

Автор: irinavision
Дата: 24-Окт-09, Сбт, 09:21

Артём, спасибо и ещё раз спасибо! В физике ничего не понимаю, но теорию, тобой изложенную, поняла вполне. Даже немного загордилась собой - вот, мол, и я в состоянии такое понять. Ну, тут, конечно, и объясняющему - лавры. Сама теория мне показалась очень красивой (понимаю, что слово не совсем уместно в данном контексте, но именно такой она мне ощутилась).

Да, теория струн действительно красива. Особенно, введение в неё. Потом начинаются дебри формул и геометрии многомерного пространства, от которой мозги едут набекрень. Взять к примеру, такие вещи, как "пространство Калаби - Яу" (названо по имени двух математиков), трехмерная визуализация которого выглядит вот так:

Выглядит может и красиво, но если ударится в формулы... Однако введение действительно красиво: Вселенная состоит из струн, вибрирующих на определенных частотах. Словосочетание "Музыка Вселенной" приобретает совсем иной смысл.

Очень заинтересовал пример с научностью и ненаучностью теорий "Бог есть" и "Бога нет".  Никогда не думала об этом, а сейчас представился случай задуматься. Интереснейшая тема

Да, я сам был восхищён, когда впервые прочитал именно об этом примере.


(Одна просьба - называть меня просто Ирой).


Это у меня такая привычка - называть так, как люди себя сами называют (то бишь по никам) . Ир много, а ЖЖ Иринывижн - один

 
Профиль
 


Арти
  24-Окт-09, Сбт, 10:13

Автор: Карина
Дата: 24-Окт-09, Сбт, 12:47

   Темчик, большое спасибо за столь интересную статью! Ты вполне мог бы быть популяризатором сложных знаний, у тебя есть талант объяснить просто сложные для понимания темы. (Я имею ввиду, что мог бы  писать такие статьи или книги)


Карина, я может быть и мог бы быть популяризатором, если бы сам до конца разбирался в этих теориях . А с этим как раз проблема. Пока читаю соответствующую литературу - всё понятно. Проходит неделя - остаются смутные воспоминания. Так что, если писать, то нужно по свежим следам. А это не всегда получается. Скорее получается вот так вот - когда возникает о том разговор.

Обязательно покажу сыну, он физику не учил - в программе его школы не было, думаю, ему будет интересно прочитать.

Интересно, что скажет

Я прочитала с большим интересом, хотя физику учила и в школе и в институте, но 30 лет назад физика, очевидно, была еще другой, да и помню я весьма смутно, поскольку в жизни занималась совсем другими вещами .

Ничто не стоит на месте. Хотя, конечно, в физике последних десятилетий (если не почти века) особых потрясений не было. Ну, такое впечателние. ТО была откровением. КМ - тоже. О других откровениях подобного уровня я не слышал.

 
Профиль
 


Карина
  24-Окт-09, Сбт, 11:46

  Алексей прочитал, сказал, что очень интересно и написано очень хорошо   Так что спасибо тебе!

 
Профиль
 


Гримнир
  24-Окт-09, Сбт, 11:50

Автор: Арти
Дата: 24-Окт-09, Сбт, 16:13
Ну, такое впечателние. ТО была откровением. КМ - тоже. О других откровениях подобного уровня я не слышал.


Ньютоновская механика

 
Профиль
 


Арти
  24-Окт-09, Сбт, 13:28

Карина, не за что На самом деле, когда писал, то сам для себя раскладывал по полочкам.

Гримнир, так то ДО  Я имел в виду ПОСЛЕ

 
Профиль
 



Комментарии разрешены только зарегистрированным посетителям! Вход на сайт в правом верхнем углу.

Шармик - Хауз © Арти & Милана & Шеана & Кайл

debug info: total 0.156 sec (4 queries in 0.029 sec)