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La th??orie des cordes

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Interaction dans le monde subatomique: lignes mondiales de point comme particules dans le mod??le standard ou d'un feuille de monde balay?? par ferm?? cordes dans la th??orie des cordes

La th??orie des cordes est une approche math??matique incompl??te physique th??orique, dont le b??timent blocs sont des objets ??tendus unidimensionnels appel??s cordes, plut??t que le z??ro-dimensionnel particules ponctuelles qui forment la base pour le mod??le standard de la physique des particules . En rempla??ant les particules ponctuelles avec des cordes, une apparence coh??rente la th??orie quantique de la gravitation ??merge, qui n'a pas ??t?? r??alisable dans la th??orie quantique des champs . Habituellement, la th??orie des cordes terme comprend un groupe d'associ??s th??ories des supercordes et quelques cadres connexes tels que la th??orie-M , qui cherche ?? les r??unir toutes.

Les th??oriciens des cordes ne ont pas encore compl??tement d??crit ces th??ories, ou d??termin?? si ou comment ces th??ories se rapportent ?? l'univers physique. L'??l??gance et la souplesse de l'approche, cependant, et un certain nombre de similitudes qualitatives avec plus de mod??les physiques traditionnels, ont conduit de nombreux physiciens de soup??onner qu'une telle connexion soit possible. En particulier, la th??orie des cordes peut ??tre un moyen de "unifier" le connu forces naturelles ( gravitationnelles , ??lectromagn??tiques , faible nucl??aire et fort nucl??aire) en les d??crivant avec le m??me ensemble d'??quations, comme d??crit dans le th??orie du tout. D'autre part, les mod??les ont ??t?? critiqu??s pour leur incapacit??, ?? ce jour, de fournir des pr??dictions testables exp??rimentalement.

Les travaux sur la th??orie des cordes est rendue difficile par les math??matiques tr??s complexes impliqu??s, et le grand nombre de formes que les th??ories peuvent prendre en fonction de l'am??nagement de l'espace et de l'??nergie. Jusqu'?? pr??sent, la th??orie des cordes sugg??re fortement l'existence de dix ou onze (en M-th??orie ) dimensions d'espace-temps, par opposition ?? l'habitude quatre (trois spatiale et une temporelle ) utilis?? dans la th??orie de la relativit?? ; cependant, la th??orie peut d??crire avec quatre univers efficace (observable) dimensions d'espace-temps par une vari??t?? de m??thodes. Les th??ories semblent ??galement d??crire objets de dimensions sup??rieures que cordes, appel??s branes. Certains types de la th??orie des cordes ont ??galement ??t?? montr?? pour ??tre ??quivalent ?? certains types de plus traditionnel th??orie de jauge, et il est ?? esp??rer que la recherche dans cette direction conduira ?? de nouvelles perspectives sur chromodynamique quantique, la th??orie fondamentale de la force nucl??aire forte.

Vue d'ensemble

L'id??e derri??re toutes les th??ories des cordes est que chaque ??l??mentaire "particule" est en fait un cha??ne d'une tr??s petite ??chelle (??ventuellement de l'ordre de la Planck longueur) qui vibre au r??sonnant des fr??quences sp??cifiques ?? ce type de particules. Ainsi, toute particule ??l??mentaire devrait ??tre consid??r?? comme un objet vibrant petit, plut??t que comme un point. Cet objet peut vibrer dans diff??rents modes (comme une corde de guitare peut produire diff??rentes notes), avec tous les modes apparaissant comme un autre particules ( ??lectrons , photons , etc.). Les cha??nes peuvent diviser et de combiner, qui appara??trait comme ??mettant des particules et en absorbant d'autres particules, donnant vraisemblablement lieu ?? la connue interactions entre particules.

Les niveaux de grossissement: niveau macroscopique, niveau mol??culaire, niveau atomique, niveau subatomique, le niveau de cha??ne.

En plus de cha??nes, cette th??orie comprend ??galement des objets de dimensions sup??rieures, telles que D-branes et NS-branes. En outre, toutes les th??ories des cordes pr??disent l'existence de degr??s de libert?? qui sont g??n??ralement d??crits comme des dimensions suppl??mentaires . La th??orie des cordes est pens?? pour inclure des 10, 11 ou 26 dimensions, selon la th??orie sp??cifique et sur le point de vue.

L'int??r??t pour la th??orie des cordes est entra??n??e en grande partie par l'espoir qu'il se r??v??lera ??tre une th??orie coh??rente de la gravit?? quantique ou m??me un th??orie du tout. Il peut aussi d??crire naturellement interactions similaires ?? l'??lectromagn??tisme et les autres forces de la nature. th??ories des supercordes comprennent fermions, les blocs de construction de la mati??re , et incorporer supersym??trie, une conjecture (mais non observ??e) sym??trie de la nature. Il ne sait pas encore si la th??orie des cordes sera en mesure de d??crire un univers ?? la collecte pr??cise des forces et des particules qui est observ??e, ni combien de libert?? la th??orie permet de choisir ces d??tails.

La th??orie des cordes dans son ensemble n'a pas encore fait pr??dictions falsifiables qui lui permettraient d'??tre test??e exp??rimentalement, si diverses observations et exp??riences pr??vues pu confirmer certains aspects essentiels de la th??orie, comme la supersym??trie et les dimensions suppl??mentaires. En outre, la th??orie exacte ne est pas encore compris. Par exemple, la th??orie ne est pas encore une d??finition satisfaisante de l'ext??rieur la th??orie des perturbations; les m??canique quantique de branes (objets tridimensionnels plus ??lev??s que les cha??nes) ne est pas compris; le comportement de la th??orie des cordes dans les param??tres cosmologiques (milieux en fonction du temps) est toujours en cours d'??laboration; enfin, le principe selon lequel la th??orie des cordes choisit son ??tat de vide est un sujet tr??s contest?? (voir la th??orie des cordes paysage).

La th??orie des cordes est pens?? pour ??tre une certaine limite d'un autre, la th??orie plus fondamentale - la th??orie-M - qui ne est que partiellement d??fini et ne est pas bien comprise.

Propri??t??s de base

La th??orie des cordes est formul?? en termes de principe d'action, soit la L'action Nambu-Goto ou L'action Polyakov, qui d??crit comment les cha??nes se d??placent ?? travers l'espace et le temps. Comme des ressorts avec aucune force externe appliqu??e, les cha??nes ont tendance ?? r??tr??cir, minimisant ainsi leur ??nergie potentielle, mais conservation de l'??nergie les emp??che de dispara??tre, et ?? la place ils oscillent. En appliquant les id??es de la m??canique quantique en cha??nes de caract??res, il est possible de d??duire les diff??rents modes de vibration de cordes, et que chaque ??tat vibratoire qui semble ??tre une particule diff??rente. La masse de chaque particule, et la mode avec lequel il peut interagir, sont d??termin??es par la fa??on dont la corde vibre - la cha??ne peut vibrer dans de nombreux modes diff??rents, comme une corde de guitare peut produire diff??rentes notes. Les diff??rents modes, chacun correspondant ?? un type diff??rent de particules, constituent la " spectre "de la th??orie.

Les cha??nes peuvent diviser et de combiner, qui appara??trait comme ??mettant des particules et en absorbant d'autres particules, donnant sans doute lieu ?? des interactions connues entre les particules.

La th??orie des cordes comprend deux cordes ouvertes, qui ont deux extr??mit??s distinctes, et les cha??nes ferm??es, o?? les points d'extr??mit?? sont joints pour faire une boucle compl??te. Les deux types de ficelle se comportent de fa??ons l??g??rement diff??rentes, ce qui donne deux spectres diff??rents. Par exemple, dans la plupart des th??ories des cordes, l'un des modes de cordes ferm??es est le graviton, et l'un des modes de cha??ne ouverts est le photon . Parce que les deux extr??mit??s d'une corde ?? vide peuvent toujours rencontrer et communiquer, formant une cha??ne ferm??e, il n'y a pas de th??ories des cordes sans cordes ferm??es.

Le mod??le de cha??ne plus anciens - corde bosonique, qui incorporait seulement bosons, d??crit - dans les ??nergies assez faible - un quantum gravit?? th??orie, qui comprend ??galement (si les cordes ouvertes sont incorpor??s ainsi) mesurer des domaines tels que le photon (ou, plus g??n??ralement, toute th??orie de jauge). Cependant, ce mod??le a des probl??mes. Plus important encore, la th??orie a une instabilit?? fondamentale, cru aboutir ?? la d??sint??gration (au moins partiellement) de l'espace-temps lui-m??me. En outre, comme son nom l'indique, le spectre de particules ne contient que des bosons, particules qui, comme le photon, ob??issent ?? des r??gles particuli??res de comportement. Grosso modo, les bosons sont les constituants de rayonnement, mais pas de la mati??re, qui est faite de fermions. ??tudier comment une th??orie des cordes peut comprendre fermions dans son spectre ont conduit ?? l'invention de supersym??trie, une relation math??matique entre les bosons et les fermions. Les th??ories des cordes qui comprennent vibrations fermioniques sont maintenant connus comme th??ories des supercordes; plusieurs types diff??rents ont ??t?? d??crits, mais tous sont maintenant pens?? pour ??tre diff??rentes limites de la th??orie-M .

Tout en comprenant les d??tails de cordes et supercordes th??ories n??cessite sophistication math??matique consid??rable, certaines propri??t??s qualitatives des cha??nes quantiques peuvent ??tre comprises d'une mani??re assez intuitive. Par exemple, les cha??nes quantiques ont tension, un peu comme les cha??nes r??guli??res faites de ficelle; cette tension est consid??r?? comme un param??tre fondamental de la th??orie. La tension d'une corde quantique est ??troitement li??e ?? sa taille. Consid??rons une boucle ferm??e de ficelle, de gauche ?? se d??placer dans l'espace sans forces ext??rieures. Sa tension a tendance ?? se contracter dans une boucle plus en plus petits. Intuition classique sugg??re qu'il pourrait r??duire ?? un seul point, mais cela violerait Heisenberg principe d'incertitude. La taille caract??ristique de la boucle de cha??ne sera un ??quilibre entre la force de traction, agissant pour le rendre petite, et l'effet de l'incertitude, qui le maintient "??tir??". Par cons??quent, la taille minimale d'une cha??ne de caract??res est li??e ?? la tension de la cha??ne.

Surface d'univers

La motion de Un point-particule peut ??tre d??crit par dessiner un graphe de sa position (en une ou deux dimensions de l'espace) contre le temps. L'image r??sultante repr??sente la Worldline de la particule (son ??histoire??) dans l'espace-temps. Par analogie, un graphique similaire montrant la progression d'une cha??ne comme le temps passe peuvent ??tre obtenus; la cha??ne (un objet unidimensionnel - une petite ligne - par lui-m??me) se tracer une surface (un ?? deux dimensions collecteur ), connu sous le nom Surface d'univers. Les diff??rents modes de corde (repr??sentant diff??rentes particules, telles que photons ou graviton) sont des ondes de surface sur ce collecteur.

Un cha??ne ferm??e ressemble ?? une petite boucle, de sorte que son Surface d'univers ressemble ?? un tuyau, ou - plus g??n??ralement - comme une surface de Riemann (un ?? deux dimensions vari??t?? orient??e) sans limites (ce est ?? dire pas de bord). Une cha??ne ouverte ressemble ?? une ligne courte, de sorte que son Surface d'univers va ressembler une bande, ou - plus g??n??ralement - comme une surface de Riemann avec une limite.

Les cha??nes peuvent partager et se connecter. Cela se traduit par la forme de leur Surface d'univers (avec plus de pr??cision, de par sa topologie ). Par exemple, si un grand ??cart ?? cordes ferm??es, sa Surface d'univers ressemblera un seul fractionnement du tuyau (ou connect??) de deux tuyaux (souvent d??sign?? comme une paire de pantalons - voir dessin en haut de cette page). Si un grand ??cart ?? cordes ferm??es et ses deux parties se reconnecter plus tard, sa Surface d'univers ressemble ?? un seul tuyau fractionnement ?? deux et puis de rebrancher, qui ressemble aussi ?? un tore reli?? ?? deux tuyaux (l'un repr??sentant la cha??ne entrante, et l'autre - sortant une). Une cha??ne ouverte faisant la m??me chose aura sa Surface d'univers ressemblant ?? un anneau reli?? ?? deux bandes.

Notez que le processus d'un fractionnement de cha??ne (ou cha??nes de connexion) est un processus global de la Surface d'univers, pas une locale une: localement, le Surface d'univers a la m??me partout et il ne est pas possible de d??terminer un seul point sur la Surface d'univers o?? la scission se produit. Par cons??quent, ces proc??d??s font partie int??grante de la th??orie, et sont d??crits par la m??me dynamique qui contr??le les modes de cha??ne.

Dans certains th??ories des cordes (?? savoir, les cha??nes ferm?? dans Certaines versions de type I et bosonique cha??ne), les cha??nes peuvent diviser et rebranchez dans une orientation oppos??e (comme dans un Ruban de M??bius ou d'une bouteille de Klein ). Ces th??ories sont appel??s non orient??. Formellement, le Surface d'univers dans ces th??ories est un surface non-orientable.

Dualit??s

Avant les ann??es 1990, les th??oriciens des cordes croyaient qu'il y avait cinq th??ories des supercordes distinctes: type I, types IIA et IIB, et les deux th??ories des cordes (h??t??rotique SO (32) et E 8 ?? E 8). L'id??e ??tait que, sur ces cinq th??ories candidats, un seul ??tait la r??elle correcte th??orie du tout, et que la th??orie ??tait celui dont la limite basse ??nergie, avec dix dimensions de l'espace-temps compactifi??es jusqu'?? quatre, assorti de la physique observ??s dans notre monde d'aujourd'hui. On sait maintenant que cette image ??tait na??f, et que les cinq th??ories des supercordes sont connect??s les uns aux autres comme se ils sont chacun un cas particulier d'une th??orie plus fondamentale (consid??r??e comme la th??orie-M ). Ces th??ories sont li??es par des transformations qui sont appel??s dualit??s. Si deux th??ories sont li??s par une transformation de la dualit??, cela signifie que la premi??re th??orie peut ??tre transform?? en quelque sorte ?? ce qu'il finit par regarder tout comme la seconde th??orie. Les deux th??ories sont alors dites ?? double un ?? l'autre en vertu de ce genre de transformation. Autrement dit, les deux th??ories sont math??matiquement diff??rentes descriptions des m??mes ph??nom??nes.

Ces dualit??s lien quantit??s qui ont ??t?? aussi pens?? pour ??tre s??par??. ??chelles de distance, grandes et petites, ainsi que les forces de couplage forts et faibles, sont des quantit??s qui ont toujours marqu?? des limites tr??s distinctes de comportement d'un syst??me physique ?? la fois classique la th??orie du champ quantique et la physique des particules . Mais les cha??nes peuvent obscurcir la diff??rence entre petits et grands, forts et faibles, et ce est la fa??on dont ces cinq th??ories tr??s diff??rentes finissent par ??tre li??s. T-dualit?? concerne les ??chelles petites et grandes distances entre les th??ories des cordes, tandis que S-dualit?? concerne forces de couplage forts et faibles entre les th??ories des cordes. U-dualit?? relie T-dualit?? et S-dualit??.

Avant la ??r??volution de la dualit??", on estimait ?? cinq versions distinctes de la th??orie des cordes, ainsi que les th??ories et bosoniques gluoniques (instables).

Les th??ories des cordes
Type dimensions de Spacetime
D??tails
Bosonique 26 Seulement bosons, pas fermions, ce qui signifie que des forces, peu importe, avec deux cordes ouvertes et ferm??es; d??faut majeur: une particule avec masse imaginaire, appel?? tachyons, soit une instabilit?? dans la th??orie.
Je 10 Supersym??trie entre les forces et la mati??re, avec des cordes ?? la fois ouverte et ferm??e; aucun tachyons; groupe sym??trie est SO (32)
IIA 10 Supersym??trie entre les forces et les mati??res, avec des cordes ferm??es et cordes ouvertes li??s ?? D-branes; aucun tachyons; sans masse fermions de spin dans les deux sens (achiral)
IIB 10 Supersym??trie entre les forces et les mati??res, avec des cordes ferm??es et cordes ouvertes li??s ?? D-branes; aucun tachyons; sans masse fermions ne tourner dans un sens (chiral)
HO 10 Supersym??trie entre les forces et les mati??res, avec uniquement des cha??nes ferm??es; aucun tachyons; h??t??rotique, ce qui signifie le d??placement et le droit ?? gauche mobiles cha??nes diff??rent; groupe sym??trie est SO (32)
SE 10 Supersym??trie entre les forces et les mati??res, avec uniquement des cha??nes ferm??es; aucun tachyons; h??t??rotique, ce qui signifie le d??placement et le droit ?? gauche mobiles cha??nes diff??rent; groupe sym??trie est E 8 ?? 8 E

Notez que dans l'AII de type et le type IIB th??ories des cordes ferm??es cha??nes sont autoris??s ?? se d??placer partout ?? travers l'espace-temps ?? dix dimensions (appel?? le vrac), tandis que les cordes ouvertes ont leurs extr??mit??s fix??e ?? D-branes, qui sont des membranes de dimension inf??rieure (leur dimension est impair - 1,3,5,7 ou 9 - dans le type IIA et m??me - 0,2,4,6 ou 8 - dans le type IIB, y compris la direction de temps ).

Dimensions suppl??mentaires

Nombre de dimensions

Une caract??ristique int??ressante de la th??orie des cordes est qu'elle implique la pr??diction des dimensions suppl??mentaires. Le nombre de dimensions ne est pas fix?? par un crit??re de coh??rence, mais solutions d'espace-temps plat ne existent dans la soi-disant ??dimension critique." Solutions cosmologiques existent dans une grande vari??t?? de dimensionnalit??s, et ces diff??rentes dimensions-plus pr??cis??ment diff??rentes valeurs de la "charge centrale efficace," un nombre de degr??s de libert?? qui se r??duit ?? dimensionnalit?? dans faiblement r??gimes sont-courbes reli??es par des transitions dynamiques.

Rien dans Maxwell ??de la th??orie de l'??lectromagn??tisme ou Einstein 's th??orie de la relativit?? rend ce type de pr??diction; ces th??ories exigent physiciens pour ins??rer le nombre de dimensions "?? la main", et ce nombre est fixe et ind??pendante de l'??nergie potentielle. La th??orie des cordes permet de relier le nombre de dimensions ?? scalaires ??nergie potentielle. Techniquement, cela se produit parce qu'un jauge existe anomalie pour chaque num??ro distinct de dimensions pr??dites, et l'anomalie de jauge peut ??tre contrecarr??e en incluant l'??nergie potentielle non n??gligeable dans les ??quations ?? r??soudre mouvement. En outre, l'absence d'??nergie potentielle dans la "dimension critique??, explique pourquoi les solutions de l'espace-temps plat sont possibles.

Ceci peut ??tre mieux comprise en notant qu'un photon inclus dans une th??orie coh??rente (techniquement, une particule portant une force li??e ?? une ininterrompue ??valuer sym??trie) doit ??tre sans masse. La masse du photon qui est pr??dite par la th??orie des cordes d??pend de l'??nergie du mode cha??ne qui repr??sente le photon. Cette ??nergie comprend une contribution de l' effet Casimir , ?? savoir des fluctuations quantiques de la cha??ne. La taille de cette contribution d??pend du nombre de dimensions depuis un plus grand nombre de dimensions, il ya des fluctuations plus possibles dans la position de la cha??ne. Par cons??quent, le photon dans l'espace-temps plat sera sans masse et la th??orie conforme-seulement pour un nombre particulier de dimensions.

Lorsque le calcul est fait, la dimension critique ne est pas quatre comme on peut se attendre (trois axes de l'espace et une de temps). Espace plat th??ories des cordes sont 26 dimensions dans le cas de bosons, tandis que des supercordes et M-th??ories se av??rent impliquer 10 ou 11 dimensions pour des solutions plates. Dans la th??orie des cordes bosoniques, les 26 dimensions proviennent de l'??quation Polyakov. A partir de ne importe quelle dimension sup??rieur ?? quatre, il est n??cessaire d'examiner comment ceux-ci sont r??duits ?? quatre dimensions l'espace-temps.

Calabi-Yau ( Projection 3D)

Dimensions compactes

Deux mani??res diff??rentes ont ??t?? propos??es pour r??soudre cette contradiction apparente. La premi??re consiste ?? compactify les dimensions suppl??mentaires; ce est ?? dire, les six ou sept dimensions suppl??mentaires sont si petits pour ??tre ind??tectable dans notre exp??rience ph??nom??nale. Afin de conserver les propri??t??s supersym??triques de la th??orie des cordes, ces espaces doivent ??tre tr??s sp??cial. La r??solution du mod??le six dimensions est obtenue avec Espaces de Calabi-Yau. En sept dimensions, ils sont appel??s G 2 collecteurs. Ces dimensions suppl??mentaires sont compacifi??e en les faisant boucle sur eux-m??mes.

Une analogie standard pour ce est de consid??rer l'espace multidimensionnel comme un tuyau d'arrosage. Si le tuyau est vu ?? partir d'une distance suffisante, il semble avoir une seule dimension, de sa longueur. En effet, penser ?? une balle juste assez petit pour entrer dans le tuyau. Lancer un tel ballon ?? l'int??rieur du tuyau, la balle serait d??placer plus ou moins dans une dimension; dans ne importe quelle exp??rience on fait en jetant les boules dans le tuyau, le seul mouvement important sera unidimensionnelle, ce est le long du tuyau. Toutefois, comme on se approche du tuyau, on d??couvre qu'il contient une seconde dimension, de sa circonf??rence. Ainsi, une fourmi ramper ?? l'int??rieur il se d??placer dans deux dimensions (et une mouche voler dans ce serait d??placer en trois dimensions). Cette ??dimension suppl??mentaire" ne est visible que dans une fourchette relativement ??troite au tuyau, ou si une "lancers francs dans les?? petits objets assez. De m??me, les dimensions compactes d'appoint ne sont "visibles" ?? tr??s petites distances, ou en exp??rimentant avec des particules de tr??s petite longueurs d'onde (de l'ordre du rayon de la dimension compacte), qui, dans la m??canique quantique signifie tr??s hautes ??nergies (voir la dualit?? onde-particule ).

Sc??nario Brane-monde

Une autre possibilit?? est que nous sommes ??coinc??s?? dans un 3 + 1 dimensions (ce est ?? dire trois dimensions spatiales ainsi que la dimension temporelle) sous-espace de l'univers complet. Cette sous-espace est cens?? ??tre un D-branes, donc ce est connu comme un braneworld th??orie. Beaucoup de gens croient qu'une combinaison des deux id??es - compactification et branes - finira par c??der la th??orie la plus r??aliste.

Effet des dimensions cach??es

Dans les deux cas, la gravit?? agissant dans les dimensions cach??es affecte d'autres forces non-gravitationnelles telles que l'??lectromagn??tisme. En fait, Kaluza et les premiers travaux de Klein ont d??montr?? que la relativit?? g??n??rale avec quatre grandes dimensions et une petite dimension pr??voit effectivement l'existence de l'??lectromagn??tisme. Toutefois, en raison de la nature de Vari??t??s de Calabi-Yau, pas de nouvelles forces apparaissent des petites dimensions, mais leur forme a un effet profond sur la fa??on dont les forces entre les cha??nes apparaissent dans notre univers ?? quatre dimensions. En principe, donc, il est possible d'en d??duire la nature de ces dimensions suppl??mentaires en exigeant la coh??rence avec le mod??le standard , mais ce ne est pas encore une possibilit?? pratique. Il est ??galement possible d'extraire des informations sur les dimensions cach??es par des tests de pr??cision de la gravit??, mais jusqu'ici elles ne ont fait que mettre des limites sup??rieures de la taille de ces dimensions cach??es

D-branes

Un autre ??l??ment cl?? de la th??orie des cordes est l'existence de D-branes. Ce sont des membranes de dimension diff??rente (ne importe o?? ?? partir d'une membrane z??ro dimensions - qui est en fait un point - et plus, y compris les membranes deux dimensions, volumes en 3 dimensions et ainsi de suite).

D-branes sont d??finis par le fait que Surface d'univers fronti??res sont attach??s ?? eux. Ainsi D-branes peuvent ??mettre et absorber les cordes ferm??es; par cons??quent, ils ont une masse (car ils ??mettent gravitons) et - dans th??ories des supercordes - chargent ainsi (car ils ??mettent cordes ferm??es qui sont bosons de jauge).

Du point de vue de cordes ouvertes, D-branes sont des objets dont les extr??mit??s des cordes ouvertes sont attach??s. Les cordes ouvertes attach??s ?? un D-branes sont dits ??en direct?? sur elle, et ils donnent lieu ?? ??valuer th??ories "vivant" sur elle (puisque l'un des modes de cordes ouvertes est une Higgs tel que le photon manom??trique). Dans le cas d'un poste D-branes, il y aura un type d'un boson de jauge et nous aurons une Th??orie de jauge ab??lienne (avec le boson de jauge ??tant le photon ). Se il ya plusieurs D-branes parall??les, il y aura plusieurs types de bosons de jauge, donnant lieu ?? un th??orie de jauge non ab??lien.

D-branes sont donc sources gravitationnelles, sur laquelle une th??orie de jauge "vit". Cette th??orie de jauge est coupl?? ?? la gravit?? (qui est cens?? exister dans la masse), de sorte que, normalement, chacun de ces deux points de vue diff??rents sont incompl??tes.

??valuer les bosons et les D-branes

La th??orie des cordes stipule qu'un Boson de jauge peut avoir chacune des extr??mit??s de sa cha??ne sur membranes s??par??es. La masse de la cha??ne (Boson de jauge) est proportionnelle ?? la s??paration des deux branes. Pour chaque Longueur de Planck que la cha??ne est tendue, environ un Plank unit?? de masse est acquise. Il a ??t?? th??oris??e par AJB que la cha??ne pourrait ??ventuellement devenir suffisamment massive pour devenir un trou noir , qui pourrait ??tre une autre possibilit?? pour la formation du trou noir. Pour ce faire, la cha??ne devrait devenir compact?? dans une 'cha??ne ballon sorte que la masse pourrait devenir assez concentr?? pour former un trou noir. Si ces trous noirs ont ??t?? d??tect??s, ils pourraient fournir des preuves de la th??orie des cordes. Ils seraient tous ?? peu pr??s la m??me masse (qui contiennent des informations sur la s??paration des membranes), et ils ne seraient pas n??cessairement dans les galaxies. Ce sont des pens??es tr??s int??ressants et ils ouvrent de nombreuses possibilit??s.

Gauge-gravit?? dualit??

Gauge-gravit?? dualit?? est une dualit?? conjecture entre une th??orie quantique de la gravitation dans certains cas et th??orie de jauge en un nombre inf??rieur de dimensions. Cela signifie que chaque ph??nom??ne pr??vu et la quantit?? dans une th??orie a un analogue dans l'autre th??orie, avec un "dictionnaire" traduire d'une th??orie ?? l'autre.

Description de la dualit??

Dans certains cas, la th??orie de jauge sur les D-branes est d??coupl?? de la gravit?? vivant dans la masse; cha??nes ainsi ouverts attach??s aux D-branes ne sont pas interagir avec des cha??nes ferm??es. Une telle situation est appel??e une limite d??couplage.

Dans ces cas, les D-branes ont deux autres descriptions ind??pendants. Comme indiqu?? plus haut, du point de vue de cha??nes ferm??es, les D-branes sont sources gravitationnelles, et donc nous avons une th??orie de la gravitation sur l'espace-temps avec quelques champs de fond. Du point de vue de cordes ouvertes, la physique du D-branes est d??crite par la th??orie de jauge appropri??e. Par cons??quent, dans ces cas, il est souvent conjectur?? que la th??orie de la gravitation sur l'espace-temps avec les champs de fond appropri??es est double (ce est ?? dire physiquement ??quivalent) ?? la th??orie de jauge sur la limite de cette espace-temps (depuis le sous-espace rempli par les D-branes est la limite de cette espace-temps). Jusqu'?? pr??sent, cette dualit?? n'a pas ??t?? prouv?? dans tous les cas, il ne ya donc aussi un d??saccord entre les th??oriciens des cordes sur la fa??on forte la dualit?? se applique ?? diff??rents mod??les.

Exemples et intuition

L'exemple le plus connu et le premier ?? ??tre ??tudi?? est la dualit?? entre le type IIB supergravit?? annonces 5 \ times S 5 (un espace produit d'un ?? cinq dimensions Espace Anti de Sitter et un cinq-sph??re) d'une part, et N = 4 supersym??trique Th??orie de Yang-Mills sur la limite ?? quatre dimensions de l'espace Anti de Sitter (soit un appartement ?? quatre dimensions d'espace-temps R 3,1 ou trois sph??re avec le temps S 3 \ times R). Ceci est connu comme la AdS / CFT correspondance, un nom souvent utilis?? pour Gauge / gravit?? dualit?? en g??n??ral.

Cette dualit?? peut ??tre consid??r?? comme suit: supposons qu'il y ait un espace-temps avec une source gravitationnelle, par exemple un extremal trou noir. Lorsque les particules sont loin de cette source, ils sont d??crits par des cordes ferm??es (ce est ?? dire une th??orie de la gravitation, ou habituellement supergravit??). Lorsque les particules se rapprochent de la source gravitationnelle, ils peuvent encore ??tre d??crits par des cha??nes ferm??es; en variante, ils peuvent ??tre d??crits par des objets semblables ?? CDQ cordes, qui sont faites de bosons de jauge ( gluons) et autres ??valuer les degr??s de libert?? de la th??orie. Donc, si on est en mesure (dans une limite de d??couplage) pour d??crire le syst??me de gravitation comme deux r??gions distinctes - une (l'vrac) loin de la source, et l'autre pr??s de la source - alors la derni??re r??gion peut ??galement ??tre d??crit par un th??orie de jauge sur D-branes. Cette derni??re r??gion (pr??s de la source) est appel?? la limite proche horizon, car, g??n??ralement, il ya une ??v??nement horizon autour (ou ??) la source gravitationnelle.

Dans la th??orie de gravitation, l'une des directions de l'espace-temps est la direction radiale, allant de la source de gravitation et ?? l'??cart (?? la masse). La th??orie de jauge ne vit que sur le D-branes lui-m??me, de sorte qu'il ne comprend pas le sens radial: elle vit dans un espace-temps avec une dimension inf??rieure par rapport ?? la th??orie de la gravitation (en fait, il vit sur un espace-temps identique ?? la limite de la pr??s de l'horizon de la th??orie gravitationnelle). Entendons-nous comment les deux th??ories sont encore ??quivalentes:

La physique de la quasi-horizon th??orie de la gravitation ne implique Etats sur-coque (comme d'habitude dans la th??orie des cordes), tandis que le la th??orie du champ comprend ??galement hors-shell la fonction de corr??lation. Les ??tats sur-shell dans la th??orie de la gravitation pr??s de l'horizon peuvent ??tre consid??r??s comme d??crivant seulement des particules en provenance de la majeure partie de la r??gion proche de l'horizon et d'interagir entre eux il. Dans la th??orie de jauge ceux-ci sont "projet??e" sur la fronti??re, de sorte que les particules qui arrivent ?? la source de diff??rentes directions seront vus dans la th??orie de jauge (hors-shell) fluctuations ??loign??s les uns des autres quantique, tandis que les particules arrivant au la source de presque le m??me sens dans l'espace sera vu dans la th??orie de jauge (hors-shell) quantiques fluctuations ?? proximit?? de l'autre. Ainsi, l'angle entre les particules arrivant dans la th??orie de la gravitation se traduit ?? l'??chelle de distance entre les fluctuations quantiques de la th??orie de jauge. L'angle entre les particules qui arrivent dans la th??orie de la gravitation est li??e ?? la distance radiale ?? partir de la source de gravitation ?? laquelle les particules interagissent: plus l'angle, plus les particules ont pour acc??der ?? la source de mani??re ?? interagir les uns avec les autres. D'autre part, l'??chelle de la distance entre les fluctuations quantiques dans une th??orie quantique des champs est li?? (inversement) ?? l'??chelle de l'??nergie dans cette th??orie. Si petit rayon dans la th??orie de la gravitation se traduit ?? l'??chelle de faible ??nergie dans la th??orie de jauge (?? savoir le r??gime de l'IR th??orie des champs) tandis grand rayon dans la th??orie de gravitation se traduit ?? l'??chelle d'??nergie ??lev??e dans le th??orie de jauge (?? savoir le r??gime d'UV de la th??orie du champ).

Un exemple simple de ce principe est que si dans la th??orie de la gravitation, il est une installation dans laquelle le dilaton champ (qui d??termine la force de la accouplement) diminue avec le rayon, alors sa th??orie double champ sera asymptotiquement libre, ce est ?? dire son couplage va cro??tre plus faible dans les hautes ??nergies.

Contact avec exp??rience

Cette branche de la th??orie des cordes peut conduire ?? de nouvelles perspectives sur chromodynamique quantique, une th??orie de jauge qui est la th??orie fondamentale de la force nucl??aire forte. ?? cette fin, il est ?? esp??rer qu'une th??orie de la gravitation de la chromodynamique quantique double sera trouv??e.

En fait, un contact vague avec l'exp??rience a d??j?? ??t?? affirm?? avoir ??tre atteint si actuellement l'alternative, Lattice QCD, fait un bien meilleur travail et a d??j?? pris contact avec des exp??riences ?? diff??rents domaines avec de bons r??sultats, m??me si les calculs sont num??rique plut??t que analytique.

Liste des probl??mes non r??solus de la physique
Est la th??orie des cordes, la th??orie des supercordes, ou M-th??orie , ou d'autres variantes sur ce th??me, une ??tape sur la route ?? un " th??orie du tout ??, ou tout simplement une impasse?

Probl??mes et controverses

Bien qu'historiquement la th??orie des cordes est une excroissance de la physique, certains soutiennent que la th??orie des cordes devrait (?? proprement parler) ??tre class??s comme autre chose que de la science. Pour une th??orie scientifique soit valable, il doit ??tre corrobor??e empiriquement , ce est ?? dire par le biais exp??rience ou observation. Quelques pistes pour un tel contact avec l'exp??rience ont ??t?? revendiqu??s. Avec la construction de la Grand collisionneur de hadrons en CERN certains scientifiques esp??rent produire des donn??es pertinentes, mais il est largement admis que toute th??orie du la gravit?? quantique exigerait ??nergies beaucoup plus ??lev??es pour sonder directement. En outre, la th??orie des cordes comme il est actuellement compris a un grand nombre de solutions ??galement possibles. Ainsi, il a ??t?? affirm?? par certains scientifiques que la th??orie des cordes peut ne pas ??tre falsifiable et peuvent ne pas avoir pouvoir pr??dictif.

La th??orie des cordes reste ?? confirmer. Aucune version de la th??orie des cordes a encore fait une pr??diction v??rifi??e exp??rimentalement qui diff??re de celles faites par d'autres th??ories. Les ??chelles d'??nergie au cours de laquelle il serait possible de voir la nature filandreuse de particules est beaucoup plus grande que celle accessible exp??rimentalement. Il poss??de de nombreuses caract??ristiques d'int??r??t math??matique et int??gre toutes les caract??ristiques brutes du naturellement mod??le standard , comme les groupes de jauge non-ab??liennes et fermions chiraux. Parce que la th??orie des cordes ne peut ??tre test?? dans un avenir pr??visible, certains scientifiques ont demand?? si elle m??rite m??me d'??tre appel?? un th??orie scientifique; ce n'est pas falsifiable dans le sens de Popper .

Il a ??galement ??t?? sugg??r?? que la th??orie des cordes est mieux pens??e comme un cadre pour construire des mod??les, de la m??me mani??re que la th??orie quantique des champs est un cadre.

Id??es de la th??orie des cordes ont eu une influence majeure sur les propositions de la physique au-del?? du mod??le standard. Par exemple, alors que la supersym??trie est un ingr??dient essentiel de la th??orie des cordes, des mod??les supersym??triques sans lien ??vident avec la th??orie des cordes sont ??galement ??tudi??s. Par cons??quent, si supersymmetry ont ??t?? d??tect??s ?? la Large Hadron Collider il ne serait pas consid??r?? comme une confirmation directe de la th??orie. Toutefois, si la supersym??trie ont pas ??t?? d??tect??s, il ya le vide dans la th??orie des cordes dans laquelle la supersym??trie ne serait vu ?? des ??nergies beaucoup plus ??lev??es, de sorte que son absence ne serait pas falsifier la th??orie des cordes. En revanche, si, lors de l'observation ??toiles lors d'une ??clipse solaire , la gravit?? du soleil ne avait pas d??vi?? de la lumi??re par le montant pr??vu, puis d'Einstein de la relativit?? g??n??rale th??orie aurait ??t?? r??v??l??e fausse.

Sur un plan plus math??matique, un autre probl??me est que, comme beaucoup de th??ories quantiques des champs , une grande partie de la th??orie des cordes ne est encore que formul??s perturbativement (?? savoir une s??rie d'approximations plut??t que comme une solution exacte). Bien que les techniques non perturbatifs ont progress?? consid??rablement - y compris conjectur?? d??finitions compl??tes dans espace-temps satisfaisant certaines asymptotique - plein d??finition non perturbatif de la th??orie est toujours d??faut.

Pourtant, un autre problème central de la théorie des cordes est que les milieux les mieux compris de la théorie des cordes conservent une grande partie de la supersymétrie de la théorie sous-jacente, ce qui se traduit dans l'espace-temps de temps-invariant: actuellement la théorie des cordes ne peut pas traiter bien avec, d'origines cosmologiques dépendant du temps.

Les deux numéros précédents sont liés à un problème plus profond: la théorie des cordes pourrait ne pas être vraiment fondamental dans sa formulation actuelle, car il est dépendant de fond - la théorie des cordes décrit expansions perturbatifs environ milieux de l'espace-temps fixe. Certains voient fond l'indépendance comme une exigence fondamentale d'une théorie de la gravité quantique, en particulier depuis la relativité générale est déjà fond indépendante. En réponse à cette critique, certains théoriciens des cordes en désaccord ce contexte l'indépendance devrait être un principe directeur, tandis que d'autres espèrent que la théorie-M , ou un traitement non-perturbatif de la théorie des cordes (comme la théorie du champ de chaîne) se révèlent être de fond -indépendante, donnant comme solutions les nombreuses versions différentes de la théorie des cordes avec les différents milieux.

Un autre problème est que la structure sous vide de la théorie, appelé le paysage de la théorie de la chaîne, ne sont pas bien compris. Comme la théorie des cordes est actuellement compris, il semble contenir un grand nombre de distinct, méta-stable le vide, peut-être 10 500 ou plus. Chacun de ces correspond à un univers différent, avec une collection différente de particules et des forces. Quel est le principe, le cas échéant, peut être utilisé pour sélectionner parmi ces vacua est une question ouverte. Bien qu'il n'y ait pas de paramètres continus connus dans la théorie, il ya une très grande discretuum (inventé par opposition à continuum) des univers possibles, qui peuvent être radicalement différente de l'autre. Certains physiciens pensent que cela est un avantage de la théorie, car il peut permettre à un naturel explication anthropique des valeurs observées de constantes physiques, en particulier la faible valeur de la constante cosmologique. Toutefois, ces explications ne sont pas habituellement considérés comme scientifique dans le poppérien sens.

La théorie des cordes ne signifie, au moins perturbativement, qu'au suffisamment élevées énergies-qui sont probablement près de la gravité quantique échelle la nature de chaîne comme des particules doivent être apparente. Par exemple, il devrait y avoir des copies plus lourdes de toutes les particules correspondant à des harmoniques de cordes. Cependant, on ne sait pas ce que ces énergies sont. Dans le cas limite, ces énergies seraient un million de milliards (dix suivi par quatorze zéros) fois plus élevé que ceux qui sont accessibles dans le plus récent accélérateur, le LHC.

Suite à l'apparition de deux livres qui prétendent la théorie des cordes est un échec, un débat médiatique chaude a évolué à partir de 2007.

«Depuis plus d'une génération, les physiciens ont été la poursuite d'un Feu Follet appelé la théorie des cordes. Le début de cette course a marqué la fin de ce qui avait été trois quarts de siècle de progrès. Des dizaines de string-théorie conférences ont été organisées, des centaines de nouveaux titulaires de doctorat ont été frappées, et des milliers d'articles ont été écrits. Pourtant, pour toute cette activité, pas une seule nouvelle prédiction testable a été fait, pas une seule énigme théorique a été résolu. Dans fait, il n'y a pas de théorie à ce jour, juste un ensemble de calculs des intuitions et suggérant qu'une théorie puisse exister Et, même si elle ne, cette théorie va venir dans un tel nombre ahurissant de versions qu'il sera d'aucune utilité pratique.: une théorie de rien ".

Histoire

La première personne à ajouter un cinquième dimension à d'Einstein de la relativité générale était mathématicien allemand Theodor Kaluza en 1919. La raison de la non-observabilité de la cinquième dimension (sa compacité) a été proposé par le physicien suédois Oskar Klein en 1926 (voir la théorie de Kaluza-Klein) . Ces prévisions seraient jeté les bases de la théorie des cordes en introduisant le concept de dimensions supplémentaires.

La théorie des cordes a été initialement développé et a exploré à la fin des années 1960 et au début des années 1970 pour expliquer certaines particularités du comportement de hadrons ( particules subatomiques comme les protons et neutrons qui connaissent la force nucléaire forte). En particulier, Yoichiro Nambu (et plus tard Lenny Susskind et Holger Nielsen ) a réalisé en 1970 que le modèle de la double résonance interactions fortes pourrait être expliquée par un modèle de chaînes mécanique quantique. Cette approche a été abandonnée comme une théorie alternative, la chromodynamique quantique, acquise support expérimental, mais a récemment refait surface dans le contexte de l'AdS / CFT correspondance.

Au milieu des années 1970, il a été découvert que le même formalisme mathématique peut être utilisé pour décrire une théorie de la gravit?? quantique. Cela a conduit ?? l'??laboration de la théorie des cordes bosons, qui est encore la première version enseigné à de nombreux étudiants.

Entre 1984 et 1986, les physiciens ont réalisé que la théorie des cordes pourrait décrire toutes les particules élémentaires et les interactions entre eux, et des centaines d'entre eux ont commencé à travailler sur la théorie des cordes que l'idée la plus prometteuse pour unifier les théories de la physique. Ceci est connu comme la première révolution des supercordes.

Au milieu des années 1990, Joseph Polchinski découvert que la théorie exige l'inclusion d'objets de dimensions supérieures, appelé D-branes. Ceux-ci ont ajouté une riche structure mathématique supplémentaire à la théorie, et ont ouvert de nombreuses possibilités pour la construction réalistes modèles cosmologiques dans la théorie.

En 1995, lors de la conférence annuelle de théoriciens des cordes à l'Université de Californie du Sud (USC),Edward Witten a prononcé son fameux discours sur la théorie des cordes que pratiquement uni les cinq théories des cordes qui existaient à l'époque, et de donner naissance à un nouveau 11- théorie dimensions appeléM-théorie. Cela a suscit?? la deuxi??me r??volution des supercordes.

En 1997, Juan Maldacena conjecturé une relation entre la théorie des cordes et un théorie de jauge appelée N = 4 supersymétrique théorie de Yang-Mills. Cette conjecture, appelé correspondance AdS / CFT a suscité beaucoup d'intérêt dans le domaine et est maintenant bien accepté. Il est une réalisation concrète du principe holographique, qui a des implications profondes pour les trous noirs , la localité et l'information en physique, ainsi que la nature de l'interaction gravitationnelle. Grâce à cette relation, la théorie des cordes peut être liée à l'avenir de la chromodynamique quantique et de plomb, à terme, à une meilleure compréhension du comportement des hadrons, revenant ainsi à son objectif initial.

Récemment, la découverte dupaysage de la théorie des cordes, ce qui suggère que la théorie des cordes a un nombre exponentiellement grand d'vacua différente, conduit à des discussions de ce que la théorie chaîne pourraient éventuellement être prévu pour prédire, et de l'inquiétude que la réponse pourrait continuer à être rien .

La culture populaire

  • Le livre The Elegant Universe par Brian Greene, professeur de physique à l'Université de Columbia, a été adapté dans un documentaire de trois heures pour Nova et également montré à la télévision britannique. Il a également été montré par Discovery Channel sur les Indiens télévision, ainsi que sur SBS en Australie.
  • La théorie des cordes est également une trilogie de romans basés sur le Star Trek: Voyagersérie télévisée.
  • L'espace de Calabi-Yau est mentionné en référence à une question hypothétiquetéléportation quantique (QT pour faire court) dans les romans Ilium et Olympos, parla science-fiction écrivain Dan Simmons.En outre, plusieurs autres mécanique quantique hypothétiques et les concepts liés à la théorie cordes sont employés et dans une certaine mesure expliqué ou décrit dans les livres:trous Brane,univers parallèles,singularités (les trous noirset lestrous de ver), des dispositifs morphing / de shapeshifting "quantiques" et la nature probabiliste intrinsèque de la théorie de la mécanique quantique.
  • Dans " Rêves de HP Lovecraft dans la Sorcière-Maison ", un épisode des S??rie de Showtime Maîtres de l'Horreur(basé surune histoire de HP Lovecraft et réalisé parStuart Gordon), un jeune étudiant diplômé deétudes universitaires Miskatonic théorie des cordes interdimensionnelle dans son appartement délabré et découvre l'intersection de deux réalités distinctes.
  • La théorie des cordes et sa philosophie connexe figure en bonne place dansla rivière des dieux, un roman de science-fiction deIan McDonald définies dans futuriste Inde.
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