I grunnleggende fysikk er strengteori et teoretisk rammeverk der punktpartikler av partikkelfysikk er representert av endimensjonale objekter som kalles strenger . Teorien beskriver hvordan disse strengene forplanter seg i rommet og samhandler med hverandre. På avstandsskalaer større enn strengeskalaen ser strengen ut som en vanlig partikkel, med sin masse , ladning og andre egenskaper bestemt av strengens vibrasjonstilstand . I strengteori tilsvarer en av disse vibrasjonstilstandene graviton, en partikkel beskrevet av kvantemekanikk som bærer gravitasjonsinteraksjon . Dermed er strengteori en teori om kvantegravitasjon .
Siden streng teori potensielt gir en samlet beskrivelse av gravitasjon og partikkel fysikk, er det en kandidat for en teori for alt , en selvstendig matematisk modell som beskriver alle krefter og former av materie . Til tross for mye arbeid med disse spørsmålene, er det ikke klart i hvilken grad strengteori beskriver den virkelige verden, eller hvor mye frihet det teoretiske rammeverket gir når det gjelder å velge detaljer.
Strengteori har blitt brukt på ulike problemer med
Det har derimot stimulert en rekke store utviklingstrekk innen ren matematikk . Spesielt gjorde det det mulig å konseptualisere speilsymmetri i geometri .
Den teoretiske fysikken i dag er basert på to hovedteorier angående partikkelfysikk:
Generell relativitet støttes hovedsakelig av astronomiske observasjoner (på skalaen til solsystemet som fremveksten av Merkurius perihelion og i den astronomiske skalaen som gravitasjonslinser og dynamikken til binære stjerner), men også av konkrete applikasjoner som GPS .
Kvantemekanikk støttes av alle observasjoner i lavere skalaer (fra pikometre til milliarder kilometer).
Hver av disse to teoriene har ført til imponerende suksesser (når det gjelder presise og pålitelige eksperimenter, jf. Klassisk mekanikk og kvantemekanikk ) innen sitt eget felt, men den dype forskjellen som er nevnt ovenfor, er opprinnelsen til uoverensstemmelser. Noen fysikere har derfor inntatt en pragmatisk holdning: la oss bruke hvert verktøy i sitt gyldighetsfelt uten å stille problemer som kan være uoppløselige (jf. Copenhagen School , i motsetning til andre som antyder et mer realistisk synspunkt i samsvar med de to teoriene, jfr. . De Broglie-Bohm teori ).
Det gjenstår at visse fenomener vil kreve bruk av de to teoriene. Dermed har et svart hull et slikt gravitasjonsfelt at det tiltrekker seg alt som passerer innenfor dets rekkevidde, inkludert lys, noe som innebærer generell relativitet. For å forsøke å beskrive "naturen" til "materien" den er laget av, som innebærer formuleringen av en matematisk sammenhengende feltteori, er det nødvendig å appellere til kvantemekanikken. De første øyeblikkene av Big Bang ville utgjøre et lignende problem, i det minste ved første øyekast, med teorien som gyldig. Strengteorier prøver å beskrive slike fenomener. The Elegant Universe av Brian Greene gir en oversikt over det for bruk av ikke-spesialister.
I tillegg til de grunnleggende kontroversene som er nevnt nedenfor, har strengteorier en praktisk ulempe, deres ekstreme kompleksitet som hittil ikke tillater oss å nå brukbare resultater uten grove tilnærminger. Til dags dato er det fremfor alt en matematisk teori med fysiske mål, hvis gyldighet fortsatt skal vises av erfaring.
Teorien er basert på to forutsetninger:
Fra disse antagelsene forutsier strengteori at:
På 1960-tallet er oppførselen til hadroner fremdeles et mysterium for det vitenskapelige samfunnet. De forskjellige studiene utført innen partikkelakseleratorer motsier alle hypotesene som er formulert. I 1968, fysiker Gabriele Veneziano bruker beta funksjon av Euler å forklare forholdet mellom spinn av elektroner og energi. Dette arbeidet blir fulgt opp og forbedret de neste årene, men alltid uten å føre til en overbevisende forklaring. I 1973 dukket det opp en ny teori, kvantekromodynamikk (forkortet QCD for Quantum ChromoDynamics ), hvis resultater var så overbevisende at den ble integrert i standardmodellen og brakte Nobelprisen til forfatterne i 2004. Selv om den ikke gir alle svarene på fysikernes spørsmål, anses QCD fortsatt som gyldig i dag, men det ugyldiggjør ikke strengteorien hvis forskning fortsetter.
I 1984, med en bemerkelsesverdig teknisk prestasjon, Michael B. grønn og John H. Schwarz viste fravær av måleren eller gravitasjons uregelmessigheter i Type I strengteori , som er et chiralt teori , så vel som den Standardmodellen . Dette arbeidet gir for første gang muligheten til å få en realistisk fenomenologi fra strengene.
På midten av 1990- tallet ble det oppdaget et stort antall "broer" eller dualiteter mellom de forskjellige strengteoriene. I 1995 foreslo fysiker Edward Witten at disse dualitetene gjenspeiler en mer grunnleggende teori , kalt M-teori . Det ville samle de forskjellige teoriene om strenger i et kontinuerlig rom, hver oppnådd ved visse grenser for parametere, som ville komponere rommet for moduler . Denne perioden med intens aktivitet i felt har gitt det navnet "andre strengrevolusjon".
26-dimensjonal bosonisk strengteori er den originale og enkleste strengteorien. Formuleringen av teorien på universarket inneholder bare bosoner , derav navnet. Den inneholder en tachyon (en type hypotetisk partikkel hvis energi er en reell mengde og massen (i ro) en ren imaginær ), som er en indikasjon på at teorien er ustabil, og derfor uegnet til å beskrive virkeligheten.
Det er imidlertid pedagogisk nyttig å gjøre deg kjent med de grunnleggende begrepene som finnes i mer realistiske modeller. Spesielt på nivået med null masse avslører den graviton . Det innrømmer åpne eller lukkede tau.
Det er faktisk fem teorier om superstreng. De har til felles et 10-dimensjonalt univers (ni av rommet og en av tiden) som ikke har tachyoner , og antar at det eksisterer en supersymmetri på strengens universark , noe som resulterer i eksistensen av supersymmetrier i målområdet :
Superstrengteorier skiller seg ut fra den første ved at det eksisterer en ekstra symmetri, supersymmetri , som har blitt funnet å være nødvendig når det er ønskelig å innlemme fermioner (materie) i bosonisk strengteori.
Andre utvidede objekter vises i strengteorier, Dp-branes , p er et helt tall som indikerer antall romlige dimensjoner av det aktuelle objektet. De beskrives som underområdene som endene på de åpne strengene lever på. Studien av spekteret viser at D1-, D3-, D5- og D7- braner kan innlemmes i et målrom beskrevet av teori II B, mens det i et rom der type II A- strenger lever, kan braner av type II A introduseres. D0, D2 , D4, D6 og D8. D1 har samme antall dimensjoner som en grunnleggende akkord (vanligvis betegnet F1). Selv om det er to forskjellige objekter, har en ikke-forstyrrende symmetri av II B- teorien , kalt S-dualitet , som har gjennomgått et stort antall indirekte verifikasjoner, egenskapen til å bytte D1- bran med F1.
I 1995, på Strings '95 -konferansen . Edward Witten syntetiserer et stort antall ledetråder som peker på eksistensen av en 11-dimensjonal teori som ligger til grunn for de fem versjonene av superstrengsteori, så vel som 11-dimensjonal supergravity , som kan forstås som borderline-tilfeller av den, kalt M-teorien. enhetlig visjon om de fem strengteoriene er i hovedsak basert på deres samtrafikk via en rekke strengdualiteter . Den supergravity maksimale kan i seg selv bli forstått som en effektiv teori med lav energi.
Når det gjelder navnevalget sa Edward Witten senere: "M står for" magisk "," mysterium "eller" matrise ", avhengig av smak. "
Vi kan se siden med strengteori i vridningsområdet (en) og de få elementene som presenteres i diskusjonen om amplituedronen . Ambitwistorisk strengteori er presentert på siden " Twistor theory ".
En brane , eller mer nøyaktig en p-brane, er et utvidet objekt i strengteori. Den p er antall av romlige dimensjoner , hvor brane strekker seg mellom. En tidsmessig dimensjon må legges til dette tallet for å oppnå totalt antall dimensjoner. For eksempel er en 1-bran en bran med bare en romlig dimensjon, men to dimensjoner totalt. De tilsvarer derfor universets overflater . En 2-bran er en bran med en tidsmessig dimensjon og to romlige dimensjoner.
Flere kosmologiske modeller har dukket opp fra introduksjonen av braner i strengteori. Den generelle ideen med branarkosmologi er at vårt univers ville være begrenset til en 4-bran. Dette betyr at partikler av materie ( kvarker , elektroner , etc. ) og andre grunnleggende interaksjoner enn tyngdekraften (bæres av partikler som foton , gluon , etc. ) bare får lov til å bevege seg dit. 'Inne i branen mens gravitasjon har muligheten å bevege seg også i fullstendig romtid (vi sier også hovedtyngden på engelsk) hvor branen bare representerer et underområde.
Også innenfor rammen av Big Bang- modellen ble det nylig introdusert en idé som et alternativ til kosmisk inflasjon for å beskrive de aller første øyeblikkene i universets historie , den ekpyrotiske modellen . I denne modellen skyldes den opprinnelige utvidelsen kollisjonen mellom en bran og en anti-bran, som frigjør energien som er nødvendig for utvidelsen av universet. Denne modellen forutsier muligheten for andre kollisjoner som vil føre til andre Big Bangs . Likevel vekker det ikke enstemmighet i samfunnet av kosmologer, og kosmisk inflasjon forblir den mekanismen som hovedsakelig anses for å beskrive de første øyeblikkene.
I følge strengteori ville vår verden, hvis rom virker tredimensjonal, ikke bestå av fire dimensjoner av romtid (3 av rom og 1 av tid), men av 10, 11 eller til og med 26 dimensjoner. Uten disse tilleggsdimensjonene kollapser teorien. Faktisk krever fysisk koherens ( bølgefunksjon som gir ikke-negative sannsynligheter) tilstedeværelsen av ytterligere dimensjoner . Årsaken til at de forblir usynlige, er at de vil bli rullet opp av prosessen med dimensjonsreduksjon i mikroskopisk skala (milliarder ganger mindre enn et atom), som ikke tillater oss å oppdage dem.
Faktisk, hvis vi forestiller oss en kabel sett på lang avstand, representerer den bare en rett linje uten tykkelse, et endimensjonalt objekt. Hvis vi kommer nær nok, innser vi at det virkelig er en andre dimensjon: den som omgir seg rundt kabelen. I følge strengteori kunne det romlige stoffet ha veldig store dimensjoner som våre vanlige tre dimensjoner, men også små dimensjoner rullet opp på seg selv.
Calabi-Yau-rom er varianter som spiller rollen som rullede dimensjoner. Det er en ekstremt kompleks form som består av 6 dimensjoner alene. Takket være dem ender vi opp med ti dimensjoner: våre vanlige fire dimensjoner (tre av rom og en av tid) + de seks av Calabi-Yau mellomrom .
Supersymmetri er symmetri i partikkelfysikk . Det etablerer en veldig sterk kobling mellom partikler med full spinn , og de med en halv full spinn . I denne sammenheng er fermioner assosiert med en annen type partikkel: superpartner . Superpartners er store partikler som i alle henseender er identiske med partneren , bortsett fra på spinnnivået : superpartnerens forskjell er en halv enhet.
Supergravity er en teori som kombinerer supersymmetri med generell relativitet . Driften er derfor basert på 11 dimensjoner.
Den første bruken av supersymmetri for å forstå sterkt korrelert målerteori ( N = 2) ble beskrevet av Seiberg og Witten i 1994.
Strengteori er foreløpig ikke en etablert teori, men det vekker fortsatt mye håp. En rekke viktige punkter ser ut til å være problematiske og er fortsatt veldig kontroversielle. Ingen av disse kontroversene opphever definitivt teorien, men de viser at denne teorien fortsatt trenger å utvikle seg, for å perfeksjonere seg selv og for å rette opp dens svakheter.
Det er mange løsninger på ligningene til strengteori, noe som utgjør et problem med valg av vårt univers, og på den annen side, selv om mange nabomodeller kunne oppnås, gir ingen av dem oss mulighet til å ta høyde for standardmodellen av partikkelfysikk.
Imidlertid blir dette store antallet løsninger på ligningene til strengteori (noen fysikere som Aurélien Barrau snakker om 10⁵⁰⁰-løsninger eller enda mer) vurdert av Leonard Susskind , en av grunnleggerne av strengteori, (i sin bok Le kosmisk landskap ) som åpner veien for en rasjonell forklaring på det faktum at universet ser ut til å være spesielt designet slik at vi kan eksistere (spesielt justere verdien av visse fysiske konstanter med en høyst usannsynlig grad av presisjon, opp til 120 th desimal ...). Faktisk kan dette store antallet løsninger gjøre det mulig å forestille seg at det ikke er et eneste univers, men et mangfold som tilsvarer disse løsningene. De fleste ville ikke være kompatible med livet, eller til og med med tilstedeværelsen av stjerner eller atomer, ingen kjemi mulig, men vi ville befinne oss i en uendelig liten boble av denne "megavers" med de spesielle forholdene som tillater atomer, stjerner og liv ser ut. . Disse forholdene er svært usannsynlige, men hvis antall muligheter har en tendens til uendelig, må disse forholdene nødvendigvis oppfylle et sted. Denne hypotesen vekker en lidenskapelig debatt i det vitenskapelige samfunnet .
Selv om forskjellige uavhengige formuleringer ( se nedenfor) ble utviklet på 1980-tallet, gjorde strengedualitetsresultatene oppnådd på 1990-tallet det mulig å vurdere at alle teoriene som tidligere ble konstruert, i seg selv bare er forskjellige grenser. En mer grunnleggende enkelt teori, kalt M-teori , den mikroskopiske formuleringen er ukjent, men den effektive teorien om lav energi er maksimal overvekt i elleve dimensjoner, en mer enn den kritiske dimensjonen til superstrengsteorier .
En av de viktigste eksperimentelle fakta observert de siste årene er at universet utvider seg raskt . En mørk energi , av ukjent natur, har blitt postulert for å forklare denne akselerasjonen. Denne mørke energien kan også sees på som en positiv kosmologisk konstant . Strengteori forutsa ikke akselerasjonen av universets utvidelse fordi denne teorien naturlig fører til universer med negativ eller null kosmologisk konstant. Å gjøre strengteori kompatibel med en positiv konstant viste seg å være veldig vanskelig og ble bare gjort i 2003 av en gruppe ved Stanford University. Men en konsekvens av dette arbeidet er at det er omtrent 10⁵⁰⁰ teorier om mulige strenger, noe som gir en "landskap" (" landskap ") teorier snarere enn en enkelt teori. Eksistensen av dette enorme antallet forskjellige teorier - som alle har samme teoretiske validitet - fører direkte til hypotesen om et multivers , til og med til det antropiske prinsippet , som plager eller fascinerer mange fysikere.
Joseph Polchinski bemerker imidlertid at Steven Weinberg på 1980-tallet forutsa en kosmologisk konstant som ikke er null ved å hypotese et multivers , noe som nettopp er en mulig konsekvens av strengteori.
I følge Peter Woit kan en strengteori "ikke engang være feil". Faktisk gjør Landskapet av teorier det mulig å justere de frie konstantene i strengteorien for å imøtekomme praktisk talt enhver observasjon, kjent eller kommende. For eksempel, hvis LHC ikke oppdager superpartnerpartiklene , vil det være mulig å endre teorien for å gjøre disse partiklene tyngre for å forklare deres ikke-deteksjon. Denne fleksibiliteten gjør det også veldig vanskelig å forutsi fysiske fenomener som kan teste og validere strengteori. I tillegg er det ikke kjent om det vil være mulig å utføre eksperimenter på universets ytterligere dimensjoner.
Til tross for allsidigheten og til og med allsidigheten i strengteori, kan det være tilbakevist via strengens gravitasjonssignatur, som observatoriet for gravitasjonsbølger ved laserinterferometri snart vil kunne teste.
Strengteori er for tiden beskrevet som en semi-klassisk teori . Det vil si at med tanke på et fast miljø (bakgrunnsgeometri pluss mulig materie), gjør formuleringen som en sigmamodell det mulig å finne og studere eksitasjonene til strengene bare i nærheten av denne geometrien. En analog i kvantemekanikken til denne situasjonen er studiet av hydrogenatomet badet i et bakgrunnselektrisk felt (som for eksempel gjør det mulig å studere spontan, men ikke stimulert utslipp ).
Imidlertid bør det bemerkes en rekke punkter:
De to første punktene viser at teorien er perfekt kompatibel med generell relativitet. Det andre punktet er analogt for hydrogenatomet med behovet for bakgrunnsfeltet for å tilfredsstille Maxwells ligninger. For å frigjøre seg fra disse begrensningene på miljøet, og analogt med den andre kvantiseringen når det gjelder partikler som resulterer i kvantefeltteori , er det derfor ønskelig å ha en strengfeltteori som tilsvarer kvantisering av disse strengbølgefunksjonene . Denne formuleringen eksisterer, men de tekniske komplikasjonene på grunn av strengenes utvidede natur gjør søket etter eksakte løsninger på ligningene ekstremt vanskelig matematisk, og derfor er dens innvirkning på utviklingen i strengteori fortsatt begrenset sammenlignet med virkningen av hadde kvantefeltteori i partikkel fysikk.
Til slutt, la oss merke oss at i loop-kvantegravitasjon som er en annen kandidat for en kvantebeskrivelse av tyngdekraften (men som imidlertid ikke tillater inkorporering av materiefelt), er formuleringen av teorien eksplisitt uavhengig av den grunnleggende geometrien, men den er ikke fastslått at den respekterer Lorentz-invariansen .
Strengteori presenteres ofte som å ha løst problemet med " uendelige mengder ", som dukker opp i kvantefeltteori eller generelt relativitet . Dette ville være en stor suksess for strengteori hvis det matematiske beviset ble gitt; nøyaktigheten av demonstrasjonen er derfor et viktig spørsmål. Et tidlig bevis ble publisert i 1992 av Stanley Mandelstam for at visse typer divergens ikke vises i strengteori ligninger. Ettersom Mandelstam selv gir det i et brev til Carlo Rovelli , er det imidlertid ikke utelukket at andre typer uendelige kan dukke opp.
I 2001 , Eric d'Høker og Duong H. Phong demonstrert at enhver form for uendelighet var umulig inntil for to av tilnærming.
I 2004 , Nathan Berkovits lykkes i å demonstrere at en hvilken som helst form for uendelighet er umulig, og som med en hvilken som helst rekkefølge av approksimasjon, men ved å reformulere strengen teori, spesielt ved tilsetning av et visst antall ytterligere forutsetninger .
Til tross for mangelen på formelle bevis, stiller få teoretikere spørsmålstegn ved strenghetsteoriens endelighet. Men noen, som Lee Smolin, mener at vanskeligheten med å komme til endelig bevis vitner om et grunnleggende problem på dette nivået.
Opprettelsen av et mikrosort hull i en partikkelkollider, hvis det gjennomføres, vil gi mange veier for å validere eller ugyldiggjøre teorien.