Каковы подробности происхождения теории струн?

Даже среди неспециалистов хорошо известно (благодаря популярным книгам), что теория струн впервые возникла в области сильных взаимодействий, когда определенные амплитуды рассеяния обладали свойствами, которые можно было объяснить, если предположить, что где-то скрываются струны. К сожалению, это все, на что способны мои познания.

Можете ли вы подробно объяснить, что это за объекты, обладающие такими специфическими волокнистыми свойствами, и каковы именно эти свойства?

Как старая «теория струн» объясняла эти свойства.

Актуальны ли эти объяснения до сих пор или они были вытеснены современной перспективой, полученной из КХД (которой еще не было во времена Венециано)?

Мне понравилось это видео , где Сасскинд объясняет, как он и несколько друзей открыли теорию струн в контексте рассеяния мезонов. (Это всего лишь очень предварительный ответ, видео, вероятно, намного ниже вашего уровня ... :-P, я заберу его, как только оно будет заменено)
Мой экспериментальный тезис заключался в использовании полюсов Редже для поиска и объяснения наблюдаемых резонансов :). Редже полюса все еще там. Их ценность как организующей подструктуры была подорвана, когда восьмеричный путь сначала показал ценность симметрий, а затем, конечно, успех SU(2)xSU(3)xU(1), поскольку стандартная модель стерла их из памяти. Я всегда думал обо всех воплощениях струн как о многократном использовании решений гармонического осциллятора, которые на самом деле являются первой симметричной функцией в разложении любого потенциала в ряд.
@anna: Теория Редже переживает замечательное возвращение. Его несправедливо оклеветали. Теперь люди обнаруживают, что теория S-матрицы является лучшим подходом к пертурбативной супергравитации, и загадочная структура полюсов Редже КХД снова активна в AdS/КХД. Теория Редже не была причудой.

Ответы (2)

в конце 1960-х сильно взаимодействующие частицы представляли собой джунгли. Протоны, нейтроны, пионы, каоны, лямбда-гипероны, другие гипероны, дополнительные резонансы и так далее. Казалось, это десятки элементарных частиц, которые сильно взаимодействовали. Заказа не было. Люди думали, что квантовая теория поля должна умереть.

Однако они заметили такие закономерности, как траектории Редже. Минимальная масса частицы спина Дж пошел как

М 2 знак равно а Дж + б
т.е. квадрат массы является линейной функцией спина. Эта связь была подтверждена феноменологически для пары частиц. в М 2 - Дж самолет, у вас были эти прямые линии, траектории Редже.

Основываясь на этом и связанных с ним открытиях, Венециано «угадал» прекрасную формулу для амплитуд рассеяния π + π → π + р Процесс или что-то в этом роде. У него было четыре мезона, и один из них был другим. Его первой амплитудой была бета-функция Эйлера.

М знак равно Г ( ты ) Г ( в ) Г ( ты + в )
куда Г является обобщенным факториалом и ты , в являются линейными функциями переменных Мандельштама с , т снова с фиксированными коэффициентами. Эта амплитуда согласуется с траекториями Редже, поскольку Г ( Икс ) имеет полюсы для всех неположительных целых чисел. Эти полюса в амплитуде соответствуют обмену частицами в с , т каналы. Можно показать, что если мы разложим амплитуду на вычеты, максимальный спин обмениваемых частиц действительно будет линейной функцией квадрата массы, как и в траектории Редже.

Так почему же существует бесконечно много частиц, которыми можно обмениваться? Сасскинд, Нильсен, Йонея и, возможно, другие поняли, что должна быть «одна частица», которая может иметь какие-либо внутренние возбуждения — как атом водорода. За исключением того, что простое разнесение уровней выглядело намного проще, чем атом Водорода — это было похоже на гармонические осцилляторы. Бесконечно многие из них все еще были нужны. В конце концов они поняли, что если мы постулируем, что мезоны представляют собой (открытые) струны, вы воспроизводите всю формулу Венециано из-за интеграла, который можно использовать для ее определения.

Одним из непосредственных свойств, которые демистифицирует «концепция струн», была «двойственность» в языке 1960-х годов, которая в настоящее время называется «двойственностью мирового листа». Амплитуда М над нами ты , в -симметричный. Но его можно разложить по полюсам для различных значений ты ; или различные значения в . Таким образом, его можно рассчитать как сумму обменов исключительно в с -канал; или чисто в т -канал. Вам не нужно суммировать диаграммы с с -канал или с т -канал: достаточно одного!

Этот простой принцип, о котором Венециано фактически правильно догадался, что он является руководящим принципом при поиске мезонной амплитуды, легко объясняется теорией струн. Диаграмма, в которой 2 открытые струны сливаются в 1 открытую струну, а затем разделяются, может быть интерпретирована как утолщенная. с -канальный граф; или толстый т -канальный график. Между ними нет качественной разницы, поэтому они соответствуют одному струнному интегралу для амплитуды. Это более общее правило: одна струнная диаграмма обычно сводится к сумме многих теоретико-полевых диаграмм Фейнмана в различных пределах. Теория струн автоматически их суммирует.

Примерно в 1970 году многое работало для сильных взаимодействий в струнном языке. Другие этого не сделали. Теория струн оказалась слишком хороша — в частности, она была «слишком мягкой» при высоких энергиях (амплитуды экспоненциально убывают с энергиями). Возникли КХД и кварки. Примерно в середине 1970-х 'т Хофт написал свою знаменитую статью на большом Н Калибровочная теория, в которой также появляются некоторые струны. Только в 1997 году Малдасена сделал явными эти намеки, показавшие, что теория струн является правильным описанием калибровочной теории (или многих из них) в масштабе КХД: в конце концов, соответствующее целевое пространство должно быть многомерным и пространство анти де Ситтера. В AdS/CFT многие первоначальные стратегии — например, предположение, что мезоны — это своего рода открытые струны, — возрождаются и становятся количественно точными. Это просто работает.

Конечно, тем временем, примерно в середине 1970-х годов, также стало понятно, что теория струн была в первую очередь квантовой теорией гравитации, потому что безмассовые моды со спином 2 неизбежно существуют и неизбежно взаимодействуют через общую теорию относительности на больших расстояниях. В начале и середине 1980-х стало понятно, что теория струн включает в себя правильные возбуждения и взаимодействия для описания всех видов частиц и всех сил, известных нам в Природе, и ничего нельзя было изменить в отношении этого открытия позже.

Сегодня мы знаем, что первоначальная мотивация теории струн не была на самом деле неправильной: она просто пыталась использовать неминимальные компактификации теории струн. Более простые вакуумы теории струн объясняют гравитацию на квантовом языке задолго до того, как они объясняют сильные взаимодействия.

+1, но придирка --- я не согласен с тем, что «струны» сами по себе демистифицируют двойственность мирового листа, они просто дают четкую картину. Они объясняют двойственность, если под «струнами» вы подразумеваете, что существует только одна диаграмма открытых струн, но это предположение о двойственности. Представьте себе рассыпание физических резинок --- ими можно обмениваться в t-канале или s-канале, и вы должны суммировать два вклада, они разные. Новые виртуальные резиновые ленты создаются при столкновениях в локализованных точках, а не путем плавного раскрытия топологии, как на диаграмме струн. Двойственность говорит, что струны не похожи на резинки.
Очень хороший ответ (именно поэтому я согласился), но я хотел бы понять, как спектр объясняется с современной точки зрения. Очевидно, что старая теория не работает (как вы упомянули, она содержит гравитон и т. д.), но в равной степени очевидно, что существуют некоторые лежащие в основе струны (поскольку это единственное естественное объяснение траекторий). Рон намекает на это и в своем комментарии к AdS/QCD. Я задам это как еще один конкретный вопрос (если только кто-то из вас не ответит на него прямо в комментариях здесь).
Дорогой Марек, теория струн всегда содержит гравитоны, если ее изучать правильно и последовательно, поэтому сбивающая с толку безмассовая мода со спином 2 всегда присутствовала и всегда сбивала с толку любого, кто пробовал интерпретацию, подобную сильному взаимодействию. На самом деле в теории бозонных струн тоже был тахион, который намного хуже. ;-) В течение нескольких лет существовала путаница по поводу таких вещей — можно ли перемещать спектр, выбирать любое измерение пространства-времени, которое вы хотите, и т. д., поэтому было много неоправданных надежд, что это сработает. В течение лет, Д знак равно 26 и неизбежное существование тахион+гравитон было решено.
Дорогой Рон, я не думаю, что твой комментарий правильный. Струны в теории струн — это «релятивистские резиновые ленты», в то время как обычные резиновые ленты состоят из атомов, которые выбирают специальную структуру и подчиняются лоренцевой теории объема, но это единственная разница. Резинки, как и струны, по-прежнему будут уважать двойственность мирового листа. Ну, по крайней мере, любые резинки, которые можно было бы продолжить в евклидово пространство-время. В частности, вы не можете создать целую резинку в одной точке. Резиновые ленты являются одномерными, поэтому вы можете создавать их только по одной точке/атому за раз, одну за другой.
Рон, когда вы говорите, что резинки могут различать s-канал и t-канал, кажется, что вы используете слово «резинка», но на самом деле вы не рассматриваете их как резинки. Резинки по определению являются одномерными объектами. Одномерные объекты неизбежно имеют 2-мерные истории в пространстве-времени — мировые листы или «резиновые листы» — и эти истории «геометрически» всегда работают как в струнном случае, и этой геометрии достаточно, чтобы увидеть, что качественное разделение s-канала и могут существовать t-канальные диаграммы.
@Luboš: я знаю об остальной части истории строк и о значении режима спин-2. Но это не правильная теория взаимодействующих адронов. Случай на самом деле похож на историю SU(2)-взаимодействий, которые сначала были предложены для сильных взаимодействий, но там они не могли работать и позже были возрождены в слабом случае. Теперь струны были возрождены как теория квантовой гравитации, но (по крайней мере, в старой формулировке) они не могут работать как эффективная адронная теория, которую искали изначально. Мой вопрос: «Что это за теория?».
Уважаемый @Marek, ну, не совсем, как я уже сказал, правильный фон теории струн - это правильная теория адронов. Мы называем это «дуальной КХД». Это не вполне понятно и точно для обычной реальной КХД, но прекрасно понятно для очень похожей теории, калибровочной теории N=4 в d=4, которая в точности эквивалентна теории струн типа IIB на AdS5 x S5. Эквивалентность известна как AdS/CFT. Так что струны могут работать как эти вещи - это то, чем была посвящена большая часть последних 15 лет. Теория струн включает в себя все эти вещи и многое другое.
Просто чтобы быть уверенным, не-SUSY КХД плохо себя ведет со многих точек зрения, но есть много других калибровочных теорий с такой низкой суперсимметрией, как N = 1, двойственная теория струн которых понимается более или менее строго, почти наравне с N = 4. кейс. Различные базисы конифолдов, пространства Эйнштейна и т. д., и получаются калибровочные теории с различными видами киральных супермультиплетов. Так что, как я пытался подчеркнуть, но, по-видимому, безуспешно, первоначальная мотивация теории струн также оказалась правильной, просто требовалась дополнительная работа и понимание тонкостей правильного фона.
@Luboš: ты забавный парень :) Твое замечание о том, что теория струн является правильной теорией как для квантовой гравитации, так и для адронной физики, было хорошо сообщено, и я действительно понял это уже несколько лет назад. Однако вы не поняли, что меня не интересуют такие термины, как «теория всего», а вместо этого меня интересует точная теория (точная модель, состав частиц, начальные условия и т. д.), которая объясняет адронные процессы. Так что спасибо, что вы, наконец, ответили на этот вопрос напрямую;)
Другими словами, следует различать старую теорию струн (которая не работала для адронных взаимодействий) и современную интерпретацию теории струн, включающую М-теорию, браны, ландшафт и еще много чего. Современный взгляд, конечно, охватывает намного больше, чем первоначальная теория, но также совершенно бесполезен, если не указать компактификации и т. д. Было бы хорошо, если бы вы тратили меньше времени на распространение пропаганды теории струн (которая на самом деле вообще не нужна, поскольку я очень люблю струны) и вместо этого сосредоточился на конкретной физике :)
@Lubos: я не думаю, что вы правы для того, что люди считают обычными «резинками». Свободное действие может напоминать действие струны, но наивный набор точечных частиц с дельта-отталкивающим взаимодействием будет иметь общее взаимодействие самопересечения везде, где пересекается мировое «я», поэтому их взаимодействия не могут быть описаны локальной теорией мирового листа (хотя свободное распространение может). Если вы посмотрите на то, как теория струн обходит это, благодаря двойственности мирового листа все взаимодействия происходят из-за обмена строками, и это дополнительное предположение (бутстрап Чу).
Чтобы немного расширить --- в теории струн вы используете асимптотические состояния S-матрицы как объекты, которыми обмениваются струны (что для линейных траекторий Редже оказывается эквивалентным суммированию по мировым листам), не требуя более фундаментальных вещей. из которых эти вещи построены, и не позволяя произвольному взаимодействию между фундаментальными вещами срабатывать при высоких энергиях. Так что это автоматически теория всего, если это теория чего-либо. Я думаю, это было в какой-то степени понятно бутстрап-сообществу даже в 1960-х годах.
Уважаемый @Marek, Вы пишете: "Меня не интересуют такие термины, как "теория всего"". Если вам не интересно, почему вы задали вопрос именно об этом вопросе на Physics Stackexchange? Ваши комментарии о том, что вы интересуетесь определенной «моделью», показывают, что вы все еще неправильно понимаете структуру теории струн. Теория струн — это не «множество моделей». Теория струн — это единая , единая, совершенно неразделимая теория. Вы не можете выбрать вишенку на теории струн. Это один набор уравнений, который имеет множество решений. Все они действительны, все они показывают разные явления.
Другими словами, @Marek, ключевой комментарий заключается в том, что теория струн — это «теория всего», которую я на самом деле не использовал: я сказал, что это одновременно и теория гравитации, и сильное взаимодействие, и сильное взаимодействие. сила возникает из теории струн несколькими различными способами: либо как «часть» полного описания всех сил, либо — через AdS/CFT — как «просто КХД» из фона AdS. Кажется, это и есть суть вашего вопроса, по крайней мере, дополнительные вопросы, которые вы добавили. Поэтому я не могу понять, почему вы так истерично пытаетесь спрятать голову в песок, когда я говорю вам ответ.
Уважаемый @Ron, одномерные объекты почти никогда не пересекаются в пространстве-времени более высокого измерения 3+1, например Д знак равно 26 или же Д знак равно 10 , так что это проблема нулевой меры, и вы можете полностью забыть о ней. Еще более очевидная ситуация «нулевой меры», которой можно пренебречь, — это когда все атомы резинового конца находятся в одной и той же точке — чего, кстати, вообще не может быть, если резиновые ленты состоят из атомов, подобных как настоящие резинки. Основная часть динамики нити или резинки — в обоих случаях она полностью аналогична — задается динамикой двумерных мировых полотен.
Что касается вашего второго комментария, @Ron, как только вы примете предположение, что физические объекты состоят из строк, остальная часть теории, включая все детали о том, как эти вещи могут взаимодействовать, полностью определяется согласованностью - унитарностью или , что эквивалентно калибровке светового конуса, симметрии Лоренца. Нет ни малейшего выбора или свободы для «корректировки» теории струн. Теория струн представляет собой единую, полностью жесткую структуру без каких-либо регулируемых безразмерных параметров и имеет вполне определенный набор решений. Невозможно «деформировать» теорию струн.
Я хочу сказать, что утверждение о том, что теория струн может быть теорией «чего угодно», противоречит истине. Все предыдущие теории в физике допускали некоторые деформации или непрерывные параметры, которые обозначали разные теории, но теория струн этого не делает. Например, взаимодействия резиновых лент, которые были бы нелокальными на мировом листе, также нарушили бы локальность пространства-времени, унитарность пространства-времени, симметрию Лоренца пространства-времени и так далее. Непротиворечивость запрещает все патологические мутации теории, а теория струн полностью определяется непротиворечивостью.
@Luboš: Я думаю, что ты неправильно понял многое из того, что я сказал, и я тоже неправильно понял тебя. У меня лишь небольшая аллергия на вашу вездесущую сильную поддержку теории струн, которая часто перестает быть точной и скорее звучит как идеология. У меня нет проблем с принятием теории струн в качестве ТЗ (на самом деле это мое собственное мировоззрение, по крайней мере, предварительное), и точно так же у меня нет проблем с принятием того, что адронная физика может быть объяснена супергравитацией через дуальность. Но я хотел бы узнать больше об этой конкретной установке, вместо того, чтобы слышать в каждом втором комментарии, как великолепна теория струн...
Помимо критических замечаний +Марека, мне кажется, что при ответе на вопрос о «подробностях происхождения» теории струн следует сделать некоторую ссылку на открытие струны Рамона. Спин 1/2 был там с самого начала, но каким-то образом, возможно, из-за того, что он не соответствовал барионам, или, возможно, из-за проблемных интерпретаций (как кварк-глюонный дуализм), они не упоминались до появления пространственно-временной суперструны.
Уважаемый @Marek, утверждение, что теория струн — это единая теория, не является идеологией: это ключевое техническое свойство теории. Даже если вы решили назвать это идеологией — будь моим гостем — это совершенно необходимая идеология для понимания того, чем на самом деле является теория, а чем она не является. Так что очень плохо, если кто-то не может изучить эти важные технические вещи без «аллергии». Ариверо, струна Рамона и струна Неве-Шварца на самом деле не были «происхождением теории струн». Теория струн имеет «происхождение» как бозонная теория струн, в которой нет фермионов. Все струны SUSY/fermioncs "новые".
@Lubos: Условие пересечения квантовых строк не в том, что размерность ≤ 4 , хотя это условие для классических струн, и это условие используется Бранденбургером/Вафа. Квантовые точечные частицы в основном пересекаются в трех измерениях и незначительно пересекаются в четырех (так же, как λ ф 4 Бег. Размер пересечения строки наверняка будет очень большим. Однако всякий раз, когда я пытаюсь вычислить его, я получаю бесконечность, потому что счет ящиков невозможен, когда флуктуации поля разбегаются на малые расстояния.
@Lubos: что касается остального, я могу построить пример теории поля с низкоэнергетическими «струнами», но с высокоэнергетическим дерьмом для вас, но я не хочу заполнять комментарии. Я сделаю это как ответ или вопрос. Я знаю, что это возможно, потому что я пытался найти теорию струн, следуя пропаганде, но невозможно вывести взаимодействия, не зная, что единственный способ взаимодействия струн — это обмен струнами, а не что-то еще.
Уважаемый @Ron, космология Бранденбергера-Вафа или струнного газа и т. Д. - это не статья о существовании и характере фундаментальных взаимодействий в теории струн; это статья о «производном» влиянии геометрического расположения струн на космологию. Пересекаются ли струны или нет, не имеет значения, а правила взаимодействия струн не зависят от пространственно-временного измерения и работают таким образом, что вы можете пренебречь возможностью самопересечения как проблемой нулевой меры: мировой лист всегда гладкий вокруг «точки» взаимодействия, даже в г знак равно 2 .
Дорогой Рон, вы пишете: «Я могу построить пример теории поля с низкоэнергетическими «струнами» и высокоэнергетической ерундой». Большой. Вы можете построить такую ​​«теорию». Но я могу легко доказать, почему это дерьмо, а не непротиворечивая теория, т.е. не теория струн. Вы не можете модифицировать теорию струн при высоких или низких энергиях, не нарушая ее непротиворечивости. Конечно, вы можете создавать много дерьма, но дерьмо — это не то же самое, что теория в физике. Можно доказать , что теория струн не может быть дополнена специальными взаимодействиями, подобными точкам и частицам, без нарушения ее непротиворечивости.
Кстати, ваш "подсчет размерности пересечения" в теории струн тоже хрень. Нет абсолютно никаких причин, по которым такие специальные концепции должны быть четко определены в физической теории, а это не так. В гораздо более общем смысле понятие «полного пространственно-временного измерения» чрезвычайно тонкое — количество измерений «планковского» или «струнного» размера всегда неоднозначно, и различные двойные описания обычно дают разные ответы: СТ не является полностью локальной КТП после все. "Однозначно" могут быть учтены только большие размеры - много больше масштаба струны/Планка.
@Lubos: Я полностью согласен с вами по поводу свойств стандартной теории струн, уникальности йада йада. Я пытаюсь заставить вас понять, что при построении стандартной теории используются скрытые допущения начальной загрузки. Я согласен с вами по поводу подсчета размеров для сильной связи, это совершенно неправильно, но это из -за бутстрапной природы строки. Наивный подсчет размеров для получения пересечений в почти плоском пространстве работает для дерьмовых струн (резиновых лент). Фрактальная размерность вложения может быть бессмыслицей для реальных струн, но суть не в этом.
Дорогой @Ron, это очень интересно. Но не могли бы вы немного конкретизировать, что такое «скрытые [начальные] предположения»? Трудно представить что-то реальное за вашими словами в этот момент. Я просто невинно заявил, что предложенная вами конкретная деформация взаимодействия струн несовместима. Насколько я могу сказать, это можно доказать без каких-либо предположений, которые должны были бы оставаться «скрытыми». Вы: «Фрактальная размерность встраивания может быть ерундой для реальных струн, но суть не в этом». - Хорошо, но в чем тогда смысл? Фрактальная размерность зависит от УФ-физики.
@Lubos: я не предлагал «деформацию» строк, я говорил вам, что вы используете предположение начальной загрузки, что строка заменяет другие строки и ничего больше. Этого не требует никакое условие непротиворечивости (за исключением корректной голографической теории гравитации), и существуют модели струноподобных объектов, в которых это не выполняется.

Что ж, я считаю, что первоначальным ключом к разгадке были траектории Редже. Было замечено, что если построить график зависимости квадрата массы от углового момента для сильно взаимодействующих резонансов, они, как правило, следуют прямым линиям. Это можно объяснить как спектр вращающихся струн, соединяющих безмассовые частицы.

Это то, что я тоже слышал.
Интересно. То, что я слышал о происхождении, на самом деле было связано с Veneziano и бета-функцией. Как это связано?
Ладно, думаю, я могу ответить на свой вопрос. Поскольку спектр лежит на траекториях Редже, это означает, что его можно интерпретировать как полюса бета-функции. Я все еще хотел бы иметь более подробную информацию (в идеале ссылку).
Каковы подробности происхождения теории струн?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v