Partie 1
Le seul problème est d'accepter cette théorie comme physique, elle est trop mathématique. Pourquoi?
Parce qu'elle doit son apparence à une fonction simple - la fonction bêta d'Euler n'est en fait pas aussi complexe qu'il n'y paraît à première vue. Cette fonction est étudiée au cours de l'analyse mathématique.
Alors pourquoi exactement cette fonction était-elle le début d'une théorie aussi vaste et déroutante?
Fonction beta d'Euler (Graphique de la fonction beta avec arguments réels).
En 1968, un jeune physicien théoricien italien Gabriele Veneziano a tenté de décrire comment les particules d'un noyau atomique interagissent: protons et neutrons. Le scientifique avait une idée brillante. Il s'est rendu compte que toutes les nombreuses propriétés des particules dans un atome peuvent être décrites par une formule mathématique (fonction bêta d'Euler). Il a été inventé il y a deux cents ans par le mathématicien suisse Leonard Euler et décrit des intégrales en analyse mathématique.
Veneziano l'a utilisé dans ses calculs, mais n'a pas compris pourquoi elle travaillait dans ce domaine de la physique. La signification physique de la formule a été découverte en 1970 par les scientifiques américains Yoichiro Nambu, Leonard Susskind, ainsi que leur collègue danois Holger Nielsen. Ils ont suggéré que les particules élémentaires sont de petites chaînes vibrantes unidimensionnelles, des brins microscopiques d'énergie. Si ces chaînes sont si minuscules, ont estimé les chercheurs, elles ressembleront toujours à des particules ponctuelles et, par conséquent, n'affecteront pas les résultats des expériences. C'est ainsi qu'est née la théorie des cordes.
Pendant longtemps, les philosophes se sont demandé si l'univers avait une certaine origine ou s'il avait toujours existé. La relativité générale implique la finitude de la «vie» de l'Univers - l'Univers en expansion aurait dû surgir à la suite du Big Bang.
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Cependant, au tout début du Big Bang, la théorie de la relativité ne fonctionnait pas, puisque tous les processus qui se déroulaient à ce moment étaient de nature quantique. Dans la théorie des cordes, qui prétend être la théorie quantique de la gravité, une nouvelle constante physique fondamentale est introduite - le quantum minimum de longueur (c'est-à-dire la longueur la plus courte en substance). En conséquence, le vieux scénario de l'Univers né dans le Big Bang devient intenable.
L'espace au niveau quantique.
Les chaînes sont les plus petits objets de l'univers. La taille des chaînes est comparable à la longueur de Planck (10 ^ –33 cm). Selon la théorie des cordes, il s'agit de la longueur minimale qu'un objet de l'univers peut avoir.
Le Big Bang a bien eu lieu, mais la densité de la matière à ce moment-là n'était pas infinie, et l'Univers a peut-être existé avant lui. La symétrie de la théorie des cordes suggère que le temps n'a ni début ni fin. L'Univers aurait pu surgir presque vide et se former au moment du Big Bang, ou passer par plusieurs cycles de mort et de renaissance. Dans tous les cas, l'époque avant le Big Bang a eu un impact énorme sur l'espace moderne.
Dans notre univers en expansion, les galaxies se dispersent comme une foule qui se disperse. Elles s'éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à la distance qui les sépare: les galaxies séparées de 500 millions d'années-lumière, se dispersent deux fois plus vite que les galaxies, séparées de 250 millions d'années-lumière. Ainsi, toutes les galaxies que nous observons auraient dû partir simultanément du même endroit au moment du Big Bang. Ceci est vrai même si l'expansion cosmique passe par des périodes d'accélération et de décélération. Dans les diagrammes spatiaux et temporels, les galaxies voyagent le long de chemins sinueux vers et depuis la partie observable de l'espace (coin jaune). Cependant, on ne sait pas encore exactement ce qui s'est passé au moment où les galaxies (ou leurs prédécesseurs) ont commencé à se séparer.
Histoire de l'univers.
Dans le modèle standard du Big Bang (photo de gauche), basé sur la relativité générale, la distance entre deux galaxies à un moment donné de notre passé était nulle. Jusque-là, le temps n'a pas de sens.
Et dans les modèles qui prennent en compte les effets quantiques (dans la figure de droite), au moment du lancement, deux galaxies quelconques étaient séparées par une certaine distance minimale. De tels scénarios n'excluent pas la possibilité de l'existence de l'Univers avant le Big Bang.
Partie 2
Et maintenant, je vais essayer de vous dire pourquoi il y a tant de ces théories: théorie des cordes, supercordes, théorie M.
Plus de détails sur chacune des théories:
Théorie des cordes:
Comme vous et moi le savons déjà, la théorie des cordes est une théorie purement mathématique, qui dit que tout dans notre monde (et pas dans le nôtre non plus) est une conséquence des «vibrations» d'objets microscopiques de l'ordre de la longueur de Planck.
Peut-être que toute matière est faite de cordes.
Les propriétés de la corde ressemblent à une corde de violon. Chaque corde peut produire un nombre énorme (en fait infini) de vibrations différentes, appelées vibrations résonnantes. Ce sont des vibrations dans lesquelles la distance entre les maxima et minima est la même, et exactement un nombre entier de maxima et minima s'ajuste entre les extrémités fixes de la corde. Par exemple, l'oreille humaine perçoit les vibrations résonnantes comme différentes notes de musique. Les chaînes ont des propriétés similaires en théorie des cordes. Ils peuvent effectuer des oscillations résonnantes, dans lesquelles exactement un nombre entier de maxima et minima uniformément distribués s'ajustent sur la longueur des cordes. De la même manière que différents modes (un ensemble de types de vibrations harmoniques typiques d'un système oscillatoire) de vibrations résonnantes des cordes de violon donnent lieu à des notes de musique différentes,différents modes de vibration des cordes fondamentales donnent lieu à des masses et des constantes de couplage différentes.
Selon la théorie de la relativité spéciale, l'énergie et la masse (E est égal à em tse carré:) sont les deux faces d'une même médaille: plus il y a d'énergie, plus il y a de masse et vice versa. Et selon la théorie des cordes, la masse d'une particule élémentaire est déterminée par l'énergie de vibration de la corde interne de cette particule. Les cordes internes de particules plus lourdes vibrent plus intensément, tandis que les cordes de particules lumineuses vibrent moins intensément.
Plus important encore, les caractéristiques de l'un des modes de cordes sont exactement les mêmes que les caractéristiques du graviton, garantissant que la gravité fait partie intégrante de la théorie des cordes.
Je ne veux pas entrer dans les détails sur la «géométrie» des cordes pour l'instant, je dirai simplement que les particules sans masse, qui peuvent être des photons, proviennent de vibrations de cordes ouvertes ou fermées. Les gravitons ne proviennent que des vibrations des cordes fermées, ou des boucles. Les chaînes interagissent les unes avec les autres pour former des boucles. Des particules plus grosses (quarks, électrons) proviennent de ces boucles. La masse de ces particules dépend de l'énergie libérée par la boucle lorsqu'elle vibre.
En théorie des cordes, il ne peut y avoir que deux constantes fondamentales (dans d'autres théories, il y a beaucoup plus de constantes, même les plus fondamentales. Par exemple, le modèle standard nécessite 26 constantes). L'un, appelé tension des cordes, décrit la quantité d'énergie contenue par unité de longueur de la corde. L'autre, appelée constante de couplage de chaîne, est un nombre indiquant la probabilité qu'une chaîne se brise en deux chaînes, provoquant respectivement des forces; puisqu'il s'agit d'une probabilité, ce n'est qu'un nombre, pas d'unités dimensionnelles.
Théorie des supercordes:
Tout ce qu'il y a à savoir et à comprendre à partir de cette phrase, c'est que cette théorie est une théorie généralisée des cordes. Dans cette théorie, tout est considéré du point de vue de la supersymétrie - … MAIS!
Avant de passer à la supersymétrie, rappelons-nous le concept de spin. Le spin est le moment cinétique intrinsèque inhérent à chaque particule. Il est mesuré en unités de constante de Planck et peut être entier ou demi-entier. Le spin est une propriété exclusivement mécanique quantique, il ne peut pas être représenté du point de vue classique. Une tentative naïve d'interpréter les particules élémentaires comme de petites "boules", et de tourner - comme leur rotation, contredit la théorie spéciale de la relativité, puisque les points à la surface des boules doivent alors se déplacer plus vite que la lumière. Les électrons ont un spin 1/2, les photons ont un spin 1.
La supersymétrie est la symétrie entre les particules de spin entier et demi-entier.
En bref, il consiste à construire des théories dont les équations ne changeraient pas lorsque des champs à spin entier sont transformés en champs à spin demi-entier et vice versa. Depuis, des milliers d'articles ont été écrits, tous les modèles de théorie quantique des champs ont été soumis à une supersymétrisation et un nouvel appareil mathématique a été développé qui permet de construire des théories supersymétriques.
Les particules connues dans la nature, selon leur spin, sont subdivisées en bosons (spin entier) et fermions (spin demi-entier). Les premières particules sont porteuses d'interactions, par exemple un photon, qui porte des interactions électromagnétiques, un gluon, qui porte une force nucléaire forte, et un graviton, qui porte des forces gravitationnelles. Le second est constitué de la matière dont nous sommes faits, comme un électron ou un quark.
Les fermions (particules qui obéissent aux statistiques de Fermi-Dirac) et les bosons (particules qui obéissent aux statistiques de Bose-Einstein) peuvent coexister dans le même système physique. Un tel système aura un type spécial de symétrie - la soi-disant supersymétrie, qui associe les bosons aux fermions et vice versa. Ceci, bien sûr, nécessite un nombre égal de bosons et de fermions, mais les conditions d'existence de la supersymétrie ne se limitent pas à cela. Les systèmes supersymétriques vivent dans le superspace. Le superespace est obtenu à partir de l'espace-temps ordinaire lorsque des coordonnées fermioniques y sont ajoutées. Dans une formulation de superespace, les transformations de supersymétrie ressemblent à des rotations et des traductions dans un espace ordinaire. Et les particules et les champs qui y vivent sont représentés par un ensemble de particules ou de champs dans l'espace ordinaire, et un tel ensemble,dans lequel le rapport quantitatif des bosons et des fermions est strictement fixe, ainsi que certaines de leurs caractéristiques (principalement des spins). Les champs de particules inclus dans un tel ensemble sont appelés superpartenaires.
Donc, la théorie conventionnelle des cordes ne décrivait que des particules qui étaient des bosons, elle était donc appelée théorie des cordes bosoniques. Mais elle n'a pas décrit les fermions. Par conséquent, les quarks et les électrons, par exemple, n'étaient pas inclus dans la théorie des cordes bosoniques.
Mais en ajoutant la supersymétrie à la théorie des cordes bosoniques, nous avons obtenu une nouvelle théorie qui décrit à la fois les forces et la matière qui composent l'univers. C'est ce qu'on appelle la théorie des supercordes.
Il existe trois théories supercordes différentes qui ont du sens, c'est-à-dire sans incohérences mathématiques. Dans deux d'entre eux, l'objet fondamental est la chaîne fermée, tandis que dans le troisième, la chaîne ouverte est le bloc de construction. De plus, en mélangeant les meilleurs aspects de la théorie des cordes bosoniques et de la théorie des supercordes, nous avons des théories des cordes cohérentes - les théories des cordes hétérotiques.
Ainsi, une superstring est une chaîne supersymétrique, c'est-à-dire qu'elle est toujours une chaîne, mais elle ne vit pas dans notre espace habituel, mais dans le superspace.
M-THÉORIE:
Au milieu des années 1980, les théoriciens sont arrivés à la conclusion que la supersymétrie, qui est au cœur de la théorie des cordes, peut y être incorporée non pas d'une mais de cinq manières différentes, conduisant à cinq théories différentes: type I, types IIA et IIB, et deux hétérotiques. théories des cordes. Pour des raisons de bon sens (deux versions de la même loi physique ne peuvent pas fonctionner simultanément), on a cru qu'une seule d'entre elles pouvait revendiquer le rôle d'une "théorie de tout", de plus, celle qui aux basses énergies et compactée (i.e. tailles des longueurs Planck.
Il s'avère que nous observons simplement notre Univers à 4 dimensions sans ces 6 dimensions, que nous ne voyons tout simplement pas) six dimensions supplémentaires seraient cohérentes avec des observations réelles. Des questions restaient à savoir quelle théorie était la plus adéquate et que faire des quatre autres théories.
L'essence:
Si, dans ce cas, la taille de la dimension compacte s'avère être de l'ordre de la taille des cordes (10 à -33 degrés d'un centimètre), alors à cause de la petitesse de cette dimension, nous ne pouvons tout simplement pas la voir directement. En fin de compte, nous obtiendrons notre espace (3 + 1) dimensionnel, dans lequel un minuscule espace à 6 dimensions correspond à chaque point de notre Univers à 4 dimensions.
La recherche a montré que cette vision naïve est fausse. Au milieu des années 1990, Edward Witten et d'autres physiciens théoriciens ont trouvé des preuves solides que les cinq théories supercordes sont étroitement liées les unes aux autres, étant différents cas limites d'une seule théorie fondamentale à 11 dimensions. Cette théorie s'appelle M-Theory.
Lorsque Witten a donné le nom de M-théorie, il n'a pas précisé ce que M représentait, probablement parce qu'il ne se sentait pas le droit de nommer une théorie qu'il ne pouvait pas décrire complètement. Les hypothèses sur ce que M pourrait représenter est devenue un jeu parmi les physiciens théoriciens. Certains disent que M signifie «mystique», «magique» ou «mère». Des hypothèses plus sérieuses sont «Matrix» et «Membrane». Quelqu'un a remarqué que M peut être un W inversé - la première lettre du nom Witten (Witten). D'autres suggèrent que M dans la théorie M devrait signifier manquant ou même trouble.
Le développement de la théorie M en 11 dimensions a permis aux physiciens de regarder au-delà de l'époque avant laquelle le Big Bang s'est produit.
Les branes dans l'espace de 10 à 11 dimensions entrent en collision et créent un Big Bang sur la * surface * des branes …
Une théorie a été créée selon laquelle notre univers est une conséquence de la collision d'objets dans un autre univers, qui, à son tour, peut être innombrable. Ainsi, la divulgation d'une question a conduit à l'émergence d'encore plus de questions.
La M-Theory était considérée par les scientifiques comme la théorie de tout. Autrement dit, cette théorie est adaptée pour tout expliquer: comment est né l'Univers, ce qui était avant la naissance de notre Univers, répond à la question de l'existence du temps avant la naissance de l'Univers (le temps existait même avant la naissance de l'Univers), révèle l'avenir de l'Univers.
Partie 3
Trous de cordes:
La théorie désormais généralement acceptée des trous noirs, avancée il y a quarante ans par le physicien John Wheeler, dit qu'après qu'une étoile "brûle", ses restes sont comprimés avec une telle force que la force d'attraction dépasse la force de répulsion, et par conséquent, une singularité demeure: le point dans l'espace où se trouve la matière. dans un état de "densité infinie". La singularité est entourée par ce qu'on appelle «l'horizon des événements», une frontière hypothétique qui ne parvient pas à surmonter la matière et l'énergie qui s'y trouvent. Ils sont «attirés» dans le trou noir et y restent pour toujours.
Représentation d'un trou noir.
C'est ce «pour toujours» qui soulève des questions.
En 1975, le plus grand théoricien des trous noirs Stephen Hawking de l'Université de Cambridge a établi (quoique seulement théoriquement) que les trous noirs s'évaporent lentement mais inévitablement. Conformément aux lois de la mécanique quantique, des paires de particules «virtuelles» et d'antiparticules sont constamment en ébullition dans l'espace vide. Hawking a montré que l'énergie gravitationnelle des trous noirs peut être transférée à des particules «virtuelles» à l'horizon même des événements. Dans ce cas, les particules «virtuelles» deviennent réelles et dépassent l'horizon avec une énergie positive sous forme de rayonnement Hawking. Ainsi, au fil du temps, le trou noir s'évapore.
Température de rayonnement de Hawking (rayonnement près de l'horizon des événements du trou noir avec un spectre thermique):
Température de rayonnement du trou noir
où est la constante de Planck, c est la vitesse de la lumière dans le vide, k est la constante de Boltzmann, G est la constante gravitationnelle et, enfin, M est la masse du trou noir. Par exemple, il est facile de calculer qu'un trou noir d'une masse de 2 * 10 ^ 30 kg (la masse du Soleil) aura une température de rayonnement égale à 6,135 * 10 ^ (- 8) Kelvin. C'est une température très basse, même par rapport au rayonnement de fond de l'Univers avec une température de 2,7 Kelvin.
Mais les températures des trous noirs connus des astronomes sont trop basses pour détecter les radiations de ceux-ci - les masses des trous sont trop grandes. Par conséquent, l'effet n'a pas encore été confirmé par des observations.
Cependant, cette vision conduit à un "paradoxe de l'information". Il s'avère que, selon la théorie de la relativité, les informations sur la matière tombant dans un trou noir sont perdues, tandis que la mécanique quantique prétend que l'information peut éventuellement s'échapper vers l'extérieur.
Hawking a noté que la nature chaotique du rayonnement de Hawking signifie que l'énergie éclate, mais pas l'information. Cependant, en 2004, il a changé d'avis - et ce n'est qu'un des points de la science moderne qui révise toutes ses vues sur les trous noirs.
Le fait est que maintenant les théoriciens essaient «d'essayer» la théorie des cordes sur les trous noirs (et toutes les divergences théoriques qui leur sont associées). La théorie des cordes est maintenant la meilleure tentative pour combiner la relativité générale et la mécanique quantique, puisque les cordes elles-mêmes transportent une force gravitationnelle et que leur vibration est aléatoire, comme le prédit la mécanique quantique.
En 1996, Andrew Strominger et Kamran Wafa de l'Université de Harvard ont décidé d'aborder le problème du paradoxe de l'information en définissant comment un trou noir pourrait être construit de l'intérieur.
Il s'est avéré que la théorie des cordes permet la construction de structures extrêmement denses et à petite échelle à partir des cordes elles-mêmes et d'autres objets décrits par la théorie, dont certains ont plus de trois dimensions. Et ces structures se sont comportées comme des trous noirs: leur attraction gravitationnelle ne libère pas la lumière.
Le nombre de façons d'organiser les chaînes à l'intérieur des trous noirs est écrasant. Et, ce qui est particulièrement intéressant, cette valeur coïncide complètement avec la valeur de l'entropie du trou noir, que Hawking et son collègue Bekenstein ont calculée dans les années soixante-dix.
Cependant, déterminer le nombre de combinaisons de chaînes possibles n'est pas tout. En 2004, l'équipe Samir Matura de l'Université d'État de l'Ohio a entrepris de clarifier la disposition possible des cordes à l'intérieur d'un trou noir. Il s'est avéré que presque toujours les cordes sont connectées de sorte qu'elles forment une seule corde - grande et très flexible -, mais beaucoup plus grande que la singularité du point.
Le groupe Matura a calculé les dimensions physiques de plusieurs trous noirs «à cordes» (que les membres du groupe préfèrent appeler des boules de fuzz - «boules de peluche», ou des étoiles filandreuses - des «étoiles à cordes»). Ils ont été surpris de constater que la taille de ces formations de cordes coïncidait avec la taille de «l'horizon des événements» dans la théorie traditionnelle.
À cet égard, Mathur a suggéré que le soi-disant. L '«horizon des événements» est en fait une «masse de cordes moussante» et non une frontière tracée de manière rigide.
Et qu'un trou noir ne détruit pas réellement l'information pour la raison, par exemple, qu'il n'y a tout simplement pas de singularité dans les trous noirs. La masse des cordes est répartie sur tout le volume jusqu'à l'horizon des événements, et les informations peuvent être stockées dans des chaînes et imprimées sur le rayonnement Hawking sortant (et donc dépasser le seuil des événements).
Cependant, Wafa et Mathur admettent que cette image est très préliminaire. Matura n'a pas encore testé comment son modèle s'intègre dans les grands trous noirs, ni comprendre comment les trous noirs évoluent.
Une autre option a été suggérée par Gary Horowitz de l'Université de Californie à Santa Barbara et Juan Maldasena du Princeton Institute for Advanced Study. Selon ces chercheurs, la singularité au centre du trou noir existe toujours, mais l'information n'y pénètre tout simplement pas: la matière entre dans la singularité, et l'information - par téléportation quantique - est imprimée sur le rayonnement de Hawking. De nombreux physiciens contestent ce point de vue, rejetant la possibilité d'un transfert instantané d'informations.
Trous noirs extrêmes:
Diversité (l'espace euclidien est l'exemple le plus simple de diversité. Un exemple plus complexe est la surface de la Terre. Il est possible de faire une carte de n'importe quelle zone de la surface de la terre, par exemple, une carte de l'hémisphère, mais il est impossible de dessiner une seule carte (sans coupures) de toute sa surface) le long de laquelle une chaîne peut se déplacer est appelé une D-brane ou Dp-brane (lors de l'utilisation de la deuxième notation, «p» est un entier caractérisant le nombre de dimensions spatiales de la variété). Un exemple est deux chaînes qui ont une ou les deux extrémités attachées à une D-brane bidimensionnelle ou D2-brane:
Les D-branes peuvent avoir un certain nombre de dimensions spatiales allant de -1 au nombre de dimensions spatiales de notre espace-temps. Le mot «brane» lui-même vient du mot «membrane», qui est une surface bidimensionnelle.
Pourquoi j'ai écrit à ce sujet ici, mais ici:
Branes a permis de décrire certains trous noirs spéciaux dans la théorie des cordes (cette découverte a été faite par Andrew Strominger et Kumrun Wafa en 1996, ci-dessus).
La relation entre les branes et les trous noirs est indirecte mais convaincante. Voici comment cela fonctionne: Vous commencez par désactiver la force gravitationnelle (vous faites cela en réglant la constante de couplage des cordes (le nombre qui représente la probabilité qu'une corde se brise en deux cordes - l'une des deux constantes fondamentales de la théorie des cordes. La première est la «tension» de la corde) à zéro). Il peut sembler étrange de décrire les trous noirs, qui ne sont rien de plus que de la gravité, cependant, voyons ce qui se passe ensuite. Avec la gravité désactivée, nous pouvons examiner les géométries dans lesquelles de nombreuses branes sont enroulées autour de dimensions supplémentaires. Nous utilisons maintenant le fait que les branes portent des charges électriques et magnétiques. Il s'avère qu'il y a une limite à la charge qu'une brane peut avoir, cette limite est liée à la masse de la brane. Les configurations de charge maximale sont très spécifiques et sont appelées extrêmes. Ils incluent l'une des situations où il existe des symétries supplémentaires permettant des calculs plus précis. En particulier, de telles situations sont caractérisées par la présence de plusieurs supersymétries différentes qui relient fermions et bosons.
Il y a également la quantité maximale de charge électrique ou magnétique qu'un trou noir peut avoir et être toujours stable. Ils sont appelés trous noirs extrêmes et sont étudiés par des spécialistes de la relativité générale depuis de nombreuses années.
Malgré le fait que la force gravitationnelle a été désactivée, le système de brane extrême partage certaines propriétés avec les trous noirs extrêmes. En particulier, les propriétés thermodynamiques des deux systèmes sont identiques. Ainsi, en étudiant la thermodynamique des branes extrêmes enroulées autour de dimensions supplémentaires, on peut reproduire les propriétés thermodynamiques des trous noirs extrêmes.
L'un des problèmes de la physique des trous noirs était l'explication de la découverte par Jacob Bekenstein et Stephen Hawking que les trous noirs ont une entropie et une température. La nouvelle idée de la théorie des cordes est (dans le cas des trous noirs extrêmes) que vous pouvez progresser dans l'exploration de systèmes similaires de branes extrêmes entourant des dimensions supplémentaires. En fait, de nombreuses propriétés des deux systèmes sont exactement les mêmes. Cette coïncidence presque surnaturelle se produit car dans les deux cas, il existe plusieurs transformations supersymétriques différentes reliant fermions et bosons. Il s'avère qu'ils nous permettent de construire une analogie mathématique convaincante qui rend la thermodynamique * de deux systèmes identique.
***
* Thermodynamique d'un trou noir (propriétés):
- La force de gravité est la même sur toute la surface de l'horizon des événements
- La zone de l'horizon des événements d'un trou noir ne peut diminuer avec le temps dans aucun processus classique.
- Dans tout processus de non-équilibre impliquant des trous noirs (par exemple, lorsqu'ils se heurtent), la surface augmente.
