Наука и Техника

Наука И Техника
14 июня 2015

Cтрунная теория поля может лечь в основу квантовой механики

Два ученых из Университета Южной Калифорнии (USC) предложили связь между струнной теорией поля и квантовой механикой, которая может открыть дверь для использования струнной теории поля — или более широкого варианта ее, M-теории — как основы всей физики.

«Это могло бы разрешить загадку, откуда берется квантовая механика», — заявил Ицхак Барс, ведущий автор статьи. Барс работал вместе с Дмитрием Рычковым, кандидатом наук USC. Их совместная работа была опубликована на днях в журнале Physics Letters.

Вместо того чтобы использовать квантовую механику для проверки струнной теории поля, ученые работали в обратном направлении и использовали струнную теорию поля для проверки квантовой механики. В своей работе, которая объясняет струнную теорию поля простым языком, Барс и Рычков показали, что ряд фундаментальных принципов квантовой механики, известных как «правила коммутации», может быть выведен из связывающейся и расщепляющейся геометрии струн.

«Наш аргумент может быть представлен в качестве чрезвычайно упрощенной математической структуры, — говорит Барс. — Основной ингредиент — это допущение того, что вся материя состоит из струн, и единственным возможным взаимодействием выступает связь/разделение, описываемые струнной теорией поля».

История теории струн
Физики давно пытаются объединить квантовую механику и общую теорию относительности и объяснить, почему обе они идеально работают в своих областях, но вместе — никак. Впервые предложенная в 70-х годах прошлого века, теория струн предлагает разрешить противоречия квантовой гравитации и предполагает, что фундаментальной единицей материи является крошечная струна, а не точка, и единственными возможными методами взаимодействия материи являются соединения или разделения струн.

Сорок лет спустя физики до сих пор пытаются вывести правила струнной теории, которая требует весьма любопытных начальных условий для работы (вроде дополнительных измерений, которые могут объяснить, почему у кварков и лептонов есть заряд, цвет и «аромат», которые отличают их друг от друга).

В настоящее время ни один из наборов правил не может быть использован для объяснения всех физических взаимодействий, которые происходят в наблюдаемой вселенной.

На больших масштабах ученые используют классическую ньютоновскую механику, чтобы описать, как гравитация удерживает луну на своей орбите или почему сила реактивного двигателя разгоняет самолет. Ньютоновская механика интуитивна и зачастую может быть наблюдаема невооруженным глазом.

На невероятно крошечных масштабах, которые в 100 миллионов раз меньше атома, ученые используют релятивистскую квантовую теорию поля для описания взаимодействия субатомных частиц и сил, которые удерживают кварки и лептоны вместе внутри протонов, нейтронов, ядер и атомов.

Неопределенные рамки
Квантовая механика зачастую противоречит здравому смыслу, позволяя частицам находиться в двух местах одновременно, но неоднократно подтверждалась на разных масштабах, от атома до кварков. Она предоставила науке неоценимые условия, в рамках которых можно понять взаимодействия материи и энергии на малых дистанциях.

Квантовая механика — чрезвычайно успешная модель того, как все работает на малых масштабах, но в ней есть большая загадка: необъяснимые фундаментальные правила квантовой коммутации, которые предполагают неопределенность положения и импульса в каждой точке вселенной.

«Правила коммутации не имеют объяснения с более фундаментальной точки зрения, но экспериментально подтверждались на мельчайших расстояниях с помощью мощнейших ускорителей. Очевидно, эти правила верны, но они нуждаются в объяснении своего происхождения в виде некоторых физических явлений, которые скрываются еще глубже», — говорит Барс.

Сложность заключается в том, что экспериментальных данных об этих явлениях пока нет — испытания на таких малых масштабах пока лежат за пределами технологических способностей ученых.