Wikipedista:Mirodragan/Historie teorie strun
| Teorie strun | |
|---|---|
 | |
| Základní objekty | |
| Poruchové teorie | |
| Neporuchové výsledky | |
| Fenomenologie | |
| Matematika | |
| Související pojmy | |
| Teoretikové | |
| |
| Historie · Slovník | |
Historie teorie strun zabírá několik desetiletí intenzivního výzkumu včetně dvou superstrunových revolucí. Díky společnému úsilí mnoha různých vědců se teorie strun vyvinula do širokého a rozmanitého oboru propojeného s kvantovou gravitaci, fyziku částic, fyzikou pevných látek, kosmologii a čistou matematikou.
Teorie S-matic (1943–1959)[editovat | editovat zdroj]
S-matice je soubor pravděpodobností výskytu všech možných amplitud účinných průřezů reakcí hadronů. Tento pojem navrhl v roce 1937 John Wheeler a roku 1943 jej rozvinul Werner Heisenberg. Celý soubor reakcí hadronů si lze představit uspořádaný do nekonečné matice. Maticové elementy přitom měly splňovat relativistickou invarianci a unitaritu. S-maticové diagramy nejsou časoprostorovými diagramy, ale pouze obecné zobrazení reakcí částic. Reakce se popisují jen z hlediska momentů hybnosti, nikoliv z hlediska prostoročasového uspořádání. S-maticový diagram proto obsahuje méně informací než Feynmanův diagram.
Výhodou S-maticového formalismu je to, že vysvětluje přeměnu všech hadronů. Ukázalo se, že všechny hadrony náleží do posloupností následujících za sebou, jejichž členy mají s výjimkou hmotnosti a spinu totožné vlastnosti. Formalismus původně navržený Tulliem Reggem umožňuje pracovat s každou posloupností hadronů jako s jediným hadronem, který existuje v různých excitovaných stavech.
Radikální vyloučení lokálních veličin v teorii S-matic znemožnilo studovat vývoj fyzikálního systému v prostoročase a využít principu kauzality. Relativistická invariantnost a unitarita nebyla rovněž dostatečná k určení dynamických vlastností maticových prvků.
Reggeho teorie (1959–1968)[editovat | editovat zdroj]
V roce 1959 zjistil Tullio Regge, že vázané stavy v kvantové mechanice mohou být uspořádány do rodin s různými momenty hybnosti zvaných Reggeho trajektorie. V této teorii nemusí moment hybnosti být celé číslo, ale může mít jakoukoliv komplexní hodnotu.
Duálně rezonanční model (1968–1974)[editovat | editovat zdroj]
Gabriele Veneziano výzkumný asistent v Evropském centru jaderného výzkumu CERN v roce 1968 studoval výsledky vysokoenergetických srážek částic. Zjistil, že pokud je Eulerova beta funkce interpretována jako amplituda rozptylu, má tato funkce mnoho vlastností, potřebných k vysvětlení fyzikálních vlastností silně interagujících částic, jako je symetrie a dualita.
Problému se roku 1970 ujali fyzici Leonard Susskind, Holger Nielsen a Yoichiro Nambu, kteří nezávisle na sobě dokázali, že Feynmanovy diagramy popisující Venezianovu amplitudu lze sjednotit do jednoho diagramu, v němž jsou čtyři interagující částice (2 vstupující a 2 vystupující) reprezentovány jako otevřené struny. Nicméně, tento popis silné interakce dával mnoho předpovědí, které byly v přímém rozporu s experimentálnímy daty.
Miguel Ángel Virasoro a Joel Shapiro rozšířili strunový popis částic na částice reprezentované uzavřenými strunami, které jsou topologicky ekvivalentní kružnici.
Tato strunová teorie a všchny její modely popisovaly pouze chování bosonů a chování fermionů nedokázala popsat. V roce 1974 vědecká komunita ztratila zájem o teorii strun jako teorii silných interakcí a hlavním těžištěm teoretického výzkumu se stala kvantová chromodynamika.
Teorie superstrun (1974–1984)[editovat | editovat zdroj]
Podrobná matematická analýza ukázala, že kvantová teorie bosonové struny je konzistentní jen tehdy, je-li dimenze prostoročasu 26. Tento nedostatek bylo možné vyřešit hypotézou o svinutí přebytečných dimenzí do tvaru malých kompaktních variet. Dalším nedostatkem teorie je, že ve spektru volné bosonové struny odpovídá základní stav částici se záporným kvadrátem hmotnosti (tj. částici s imaginární hmotností) - tachyonu.
Pierre Ramond a André Neveue se v roce 1971 snažili zakomponovat fermiony do rámce duálních modelů a objevili přitom novou symetrii mezi bosony a fermiony, takzvanou supersymetrii. Supersymetrie předpovídá ke každému bosonu superpartnera, jímž je fermion a naopak. Objevem supersymetrie byl počet potřebných rozměrů zredukován na 10. Tato varianta byla předchůdcem teorie superstrun.
V roce 1974 fyzici Joël Scherk a John Schwarz oznámili, že lze teorii popisující hadrony intepretovat jako teorii popisující sjednocení všech interakcí. V tomto případě častice se spinem 2 a hmotností 0 odpovídá gravitonu.
První modely teorie zahrnovaly jak otevřené struny, které mají dva rozdílné koncové body a uzavřené struny, kde jsou koncové body spojeny a tvoří tak smyčku. Tyto dva typy strun se chovají mírně odlišným způsobem. Ne všechny moderní teorie strun používají oba typy. Vznikly tři rozdílné teorie superstrun. Ve dvou jsou základními objekty uzavřené struny, ve třetí jsou struny otevřené.
První superstrunová revoluce (1984–1994)[editovat | editovat zdroj]
První superstrunová revoluce je období důležitých objevů zhruba mezi roky 1984 a 1986. Bylo zjištěno, že teorie strun je schopna popsat všechny elementární částice a interakce mezi nimi.
Kombinací bosonové teorie strun a teorie superstrun vznikly dvě další teorie obecně označované jako heterotické teorie strun. Teorie byly poprvé rozpracovány v roce 1985 Davidem Grossem, Jeffreyem Harveyem, Emilem Martincem a Ryanem Rohmem, v jednom z klíčových dokumentů, který nastartoval první superstrunovou revoluci.
Existující varianty teorie strun obecně trpěly anomáliemi gravitačními, kalibračními i smíšenými. V roce 1984 Michael Green a John Schwarz ukázali, že se všechny anomálie vyruší i v teorii typu I (která obsahuje i otevřené struny a s nimi kalibrační bosony), pokud je zvolena kalibrační grupa SO(32). Také dokázali spočítat, že další přijatelnou grupou je E8×E8, přímý součin dvou kopií největší známé Lieovy grupy.
Druhá superstrunová revoluce (1994–2003)[editovat | editovat zdroj]
Na počátku roku 1990 Edward Witten a další fyzici zjistili, že různé superstrunové teorie jsou pouze různé limity nové 11-rozměrné teorie tzv. M-teorie. Tento objev vyvolal druhou superstrunová revoluci, která proběhla přibližně mezi lety 1994 a 1997. Různé verze teorie superstrun byly sjednoceny objevem tzv. dualit. Ty jsou známy jako S-dualita , T-dualita, U-dualita a zrcadlová symetrie.
V polovině roku 1990, Joseph Polchinski zjistil, že duálními objekty ke strunám mohou být objekty s libovolným počtem prostorových rozměrů, tzv. p-brány. Zvláště jedna podmnožina p-brán, tzv. Dirichletovy brány neboli D-brány, definované vlastností, že na nich mohou končit struny.
V listopadu 1997 přišel Juan Maldacena s hypotézou (nazvanou AdS/CFT korespondence), že čtyřrozměrná supersymetrická Yangova–Millsova teorie popisující velké množství p-brán při nízkých energiích je ekvivalentní gravitační fyzice pětirozměrné geometrie v blízkosti horizontu těchto p-brán. Touto geometrií je pětirozměrný anti de Sitterův prostor (AdS) a čtyřrozměrná teorie má konformní symetrii konformní teorie pole (CFT). Maldacenova hypotéza představovala dosud nejkonkrétnější realizaci holografického principu, která má dalekosáhlé důsledky pro černé díry, princip lokality a informací ve fyzice a povahu gravitační interakce.
Současnost (2003-)[editovat | editovat zdroj]
Odkazy[editovat | editovat zdroj]
Související články[editovat | editovat zdroj]
Literatura[editovat | editovat zdroj]
- GREENE, Brian. Elegantní vesmír. Superstruny, skryté rozměry a hledání finální teorie. Praha: Mladá fronta, 2001. ISBN 80-204-0882-7.
- ULLMANN, Vojtěch. Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu [online]. Dostupné online.
- ULLMANN, Vojtěch. Unitární teorie pole a kvantová gravitace [online]. Dostupné online.
- RICKLES, Dean. A Brief History of String Theory: From Dual Models to M-Theory. [s.l.]: Springer Science & Business Media, 2014. ISBN 978-3-642-45127-0, ISBN 978-3-642-45128-7.