Iknowphysic

БЛОК 1: ИСТОРИЯ

Итак, началось все в начале 20 века - физики жили спокойной жизнью, думая что все подчиняется привычным им законам физики: яблоко падает, земля крутится. Но когда они заглянули в атом, то их привычное понимание мира рухнуло: оказывается, в микромире объекты не подчиняются законам макромира.

В 1920-х на Сольвеевских Конгрессах об этом заговорили уже известные учёные. Бор и Гейзенберг заявили:

"частицы по типу фотона или электрона не имеют чёткого расположения и координат пока мы не измерим или посмотрим на них. Они находятся в состоянии "суперпозиции", тоесть везде и нигде одновременно. Как только произошло измерение, суперпозиции пропадает и мы видим или фиксируем привычный нам электрон."

Дальше появляется сама " запутанность". Чтобы объяснить я возьму электроны: два электрона одинакового происхождения, например с одного атома, автоматически становятся " запутанными" тоесть связанными между собой. И здесь начинается "магическая физика" - если один из них примет одно положение, то другой мгновенно примет согласованое или противоположное состояние. И без разницы где они находятся, хоть один на разных углах вселенной, не влияет.

БЛОК 2: УДАР ЭЙНШТЕЙНА

И тут вдруг появляется Эйнштейн. Его бесила эта "ересь" - ему казалось, что мир должен быть логичным и легко предугадыватся, спрашивая у своих коллег " если вы не смотрите на луну, значит её нет?"

В 1935 году Эйнштейн вместе с Розеном и Подольским выдвинули ответный удар - ЭПР-парадокс. Почему ЭПР? первые буквы фамилий. Так в чем же его суть? Суть в железобетонном аргументе обычного мира из их работы: "Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?":

Скорость света. Это абсолютный максимум Вселенной, его нельзя преодолеть. Ни один сигнал, ни одна крупица информации не может перемещаться быстрее неё. Но если Бор прав, то измерение одного электрона мгновенно меняет второй на другом конце космоса. Эйнштейн назвал это "жутким дальнодействием" и заявил, что это нарушает принцип локальности - что ничто не может влиять на другое быстрее скорости света. Но технически теория относительности не запрещает корреляции(это когда одно событие связано с другим. Если меняется одно - меняется и другое) между частицами - она запрещает передачу информации. Именно эту тонкость и не учёл Эйнштейн.. Чтобы объяснить его логику, приведу пример(это его же пример чтобы объяснить тем, кто не разбирается в физике): пару ботинок разложили по двум коробкам, одну увезли в горы, а вторую оставили в лаборатории. И как только одир из учёных открывает коробку и видит правый - он знает, что то левый. И наоборот. Он предположил у частиц есть "скрытые параметры". Они изначально знают какой из них правый, а какой левый. Просто мы не умеем их читать. Или не можем вовсе.

БЛОК 3: ОТВЕТ БОРА

Как только Бору пришёл ответ, он бросил все дела. Как вспоминают рабочие, он ходил от угла в угол покуривая и предлагая варианты тут же стирая. Но он придумал ответ. Он сказал Эйнштейну, что тот судить квантовый мир по законам макромира, что неправильно. Во время того, как ботинок в закрытой коробке, он находится в суперпозиции - внутри квантовое облако вероятностей(волновая функция) и когда ученый открывает коробку, облако схлопывается и функция определяет какой это ботинок и выдаёт его(это называется коллапсом волновой функции). А тот, что в лаборатории принимает противоположное положение.

Эйнштейн был в ярости. Бор сломал привычное восприятие мира, а тем самым отрицал теорию относительности на микроуровне. И каждый так и умер при своем мнении. Почему? А потому что в те года(30-50-е) не было технологий фиксирования отдельных фотонов и электронов. И другие учёные просто пользовались формулами, не думая об этом на то время "философском вопросе".

БЛОК 4: ИРЛАНДЕЦ, РАЗРЕШИВШИЙ ВСЕ.

До 1963 все пользовались формулами не думая. Но в 1964 появился Джон Белл - ирландец, который решил спор длиною более 29 лет. Работая в ЦЕРНе(это Европейская организация по ядерным исследованиям (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), проще говоря, это крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий) и любил копаться в квантовых парадоксах после работы. Он смог найти математическое чудо, по которому можно было узнать про частицу и врет она или нет, придумав тест, прозвали который "Неравенства Белла"

Логика его рассуждения была очень гениальной: если прав Эйнштейн, то по математической формуле число совпадений при массовом тестировании в разных условиях будет не выше определённого значения в процентах, а если был прав Бор то это значение будет превышено на порядок и пробило бы потолок математических расчётов. Белл смог перевести все в расчёты и цифры, так, чтобы инженеры смогли это осуществить. Белл смог сделать то, чего не смог Бор и Эйнштейн. Осталось дело за малым - передать расчёты инженерам и проверить кто прав.

БЛОК 5: КАК ЛАЗЕРЫ СМОГЛИ РЕШИТЬ СПОР

Эксперименты заставили себя ждать действительно долго. Начиная с 70-х, учёные начали исследования и попытки воплотить в жизнь Неравенства Белла.

В историю себя вписали 3 учёных-практика: Джон Клаузер, Ален Аспэ и Антон Цайлингер.

Учёные брали кристалл (бета-борат бария, нелинейный кристалл, сокращено: ВВО или брали титанил-фосфат калия(КТР)), облучали его(этот процесс называется спонтанное параметрическое рассеяние) и получали "запутанные" (связанные) фотоны. Потом их пускали по трубкам(в которых стояло тысячи датчиков, которые изменяли поляризацию(характеристики) фотонов), на километры друг от друга. Но особенность датчиков в том, что они меняли свои параметры за несколько наносекуд до фотона, что он не успевал передать другие данные своему "брату". Неравенства были порваны в щепки. Нильс Бор оказался прав в своих догадках, и великий Эйнштейн ошибся. Но ошибаться может каждый в физике тем более. А трём учёным дали Нобелевскую премию по физике в 2022 году.

БЛОК 6: КВАНТОВАЯ "ТЕЛЕПОРТАЦИЯ" И ДОПОЛНЕНИЯ

Мгновенно вопрос - разве запутанность и телепортация это не одинаковые вещи? Нет. Запутанность это состояние частиц. А телепортация это процесс, использующий запутанность

Все наверняка слышали о квантовой телепортации. Сразу проясню это не мгновенный переход из А в Б, а как раз таки та самая передача состояния частицы к другой связанной частице.

Для начала что это? Это способ перенести состояние одной частицы на другую, используя запутанность + классическую связь. Это не мгновенная передача информации. Ты не можешь телепортировать состояние без отправки дополнительных данных (по интернету, радио и т.д.). Ты не можешь обмануть скорость света.

Как это работает:

1) Создаем запутанную пару частиц. А и Б. Их состояния зависят друг от друга как мы знаем, если на А монетке выпал орел, то на Б выпадет решка моментально.

2) Берем частицу В. Она может быть в суперпозиции(орел и решка вместе, как мы тоже знаем)

3) нам нужно связать частицу А и В, что мы и делаем. Производим измерение. Это разрушает позицию В, так как она была в суперпозиции, но стала к примеру решкой. Также это разрушает запутанность А и Б.

4) мы берём вычислительные данные, и отправляем их ученому, который находится возле частицы Б.

5)тот восстанавливает положение частицы В, только уже на частице Б.

Именно и это есть "телепортация" на квантовом уровне.

Теперь ответы на частые вопросы и дополнения по теме.

Можно ли сделать тоже самое с человеком? На теоретическом уровне законы физики не запрещают передачу состояния человека, но это требует невообразимых ресурсов, и на практике никогда не будет реализовано. Для одного человека нужно передать состояние 7×10^27 атомов, на практике это не имеет смысла и невозможно. Нужно было бы передать состояние триллионов частиц и ещё и запутать их, а ещё восстановить их состояния вообщем долго очень, на это ушел бы не один год. Фактически это телепортация, но не мгновенная, а по частицам и занимает много времени.

Нарушает ли это теорию относительности как запутанность? Нет. Теория запрещает передавать сигналы быстрее скорости света, а здесь это не задействовано.

Куда девается оригинал? Он уничтожается сразу. Невозможно чтобы две частицы были в одном положении, и как вторая переходит в это же состояние оригинал уничтожается.

Безопасно ли это и может стать будущим интернета? Да. Ответ на оба вопроса положительный, потому что цепляют за одно свойство - нельзя посмотреть инфо не изменив состояние.

Можно ли телепортировать сознание?

Нельзя. Это процесс в мозге, а не состояние. Мы не знаем как онон само работает не Говоря уже о его телепортации.

Это дорого?

Безумно. Установки, аппараты. Очень сложно.

Насколько далеко уже делали?

Фотон - около 100км, 44км для атомов. В Китае передавали запутанные фотоны на спутник (1200км~) MIcius.

Как связывают частицы? Один из способов представлен в статье, а так чтобы не листать просто пропускают через кристалл специальный и там они оьретают запутанность

Итак. Итоги: мы разобрали что такое квантовая запутанность, и её вытекающие, историю, и спор, который длился почти век.

Постарался над постом, надеюсь оцените. Нейросеть не применялась никак. В этот раз я решил вообще сделать без неё, так что приятного чтения. Старался сделать без сложных терминов, а если и были то пояснял.

Звезды

Галактики

Масштабы вселенной

Темную материю

БЛОК 1: МАСШТАБЫ

У вас было чувство, когда смотрите на звезды, небо, что мы ничтожно малы? Мы - песчинка. И этот довод правильный, смотрите хронологию:

Человек - ~2 метра(0.002 км)

Экваториальный диаметр земли: 12 742 км

Диаметр юпитера 142 984 км

Диаметр солнца: 1 392 700 км.

1 астрономическая единица 149 597 870,7 км

Диаметр солнечной системы ~300 000 000 000 км

1 световой день 25 902 068 371,2 км

1 световой год 9 460 730 472 580,8 км

Парсек 3,08567758149×10^13 км. (30трлн)

Млечный путь 100 000 световых лет

Наблюдаемая вселенная 93 000 000 000 световых ЛЕТ.

Настолько огромна вселенная.

Мы пылинка, на пылинке в пылинке. Но многое мы изучили и знаем, несмотря на наш размер.

БЛОК 2: Звезды.

Звезды - огромные шары зачастую гелия и водорода, горящие за счёт термоядерного синтеза внутри(температура миллионы градусов). Термоядерный синтез это когда более легкия ядра сливаются в тяжелые. Так и горит солнце, водород сливается в гелий выделяя колосальное количество энергии. Из за чего? Ядро гелия чуть легче двух атомов водорода, и при слиянии эта лишняя масса высвобождается ввиде энергии по формуле E=mc^2(формула Энштейна)

Рождение звёзд происходит за счёт сжатия газопылевого облака, в центре которого за счёт сжатия накаляются атомы водорода и начинают сливаться и превращается в гелий. Звезда зажигается. Элементы становятся все тяжелее, по мере термоядерного синтеза. Гелий в кислород, и так далее. Жизнь зависит от спектрального класса звезды: O, B, A, F, G, K, M.

Класс O это звезды светящиеся голубым светом. Температура на поверхности от 30000 К до 60000 К (примерно также и в градусах). Самые коротко живущие звезды - от 1 до 10 млн лет. Из особенность, что большую часть света они изучают в невидимой для нас спектр - ультрафиолет.

Класс B это звезды которые светятся бело-голкбоватым светом. Температура от 10000 до 30000 К. Тоже долго не живут. От 10 до 100 млн

Класс А это звезды светящиеся белым светом. Отлично видны ночью. Температура от 7500 до 10000 К. Светят очень ярко. От 100 млн до 1 млрд лет живучесть.

Класс F светятся желто-белым светом. Температура от 5000 до 7500 К. Живут от 1 до 4 млрд лет

Класс G светятся жёлтым светом. Солнце именно этого класса. Температура от 5000 до 6000 К. Живут уже значительно дольше, около 10 млрд лет

Класс K от 3500 до 5000 К. Оранжевый свет истинный. Живут до 40 млрд лет

Класс M от 2000 до 3500 К. красные. Их особенность что они живут триллионы лет(до 12 трлн)

Существуют также дополнительные классы:

W - звезды Вольфа-Райе. Температура около 70000 К. Очень тяжелые и яркие звезды. Очень интенсивные эмиссионные линии в спектре(эмиссионные линии - это яркие линии в линейчатом спектре излучения, которые испускает нагретый разреженный газ) живут не долго, около 5млн лет

L, T, Y это коричневые карлики. Переходные от планеты к звезде. Температура до 2000К. L класс от 1300 до 2000К, присутствуют щелочные металлы(натрий). T класс от 600 до 1300К. Наличие метана. Y класс до 600К, наличие поглощения воды. Им не хватает массивности чтобы начать термоядерный синтез, поэтому их прозвали "несостоявшиеся звезды". Живут тоже триллионы лет.

С это углеродные звезды с повышенным содержанием углерода. Гиганты. Тоже живут до 10 млн лет

S это циркониевые звезды. Повышенное содержание оксида циркония. С той же температурой и что и классы К и М, но краснее. Несколько миллионов лет

D это белые карлики. Мёртвые звезды, которые остывают миллиарды лет.

P это планетарный туманности. Внешняя оболочка звезды, отделяетсч на поздних этапах жизни перед смертью. Яркий пример - туманность М27 гантель. Десятки тысяч лет.

Q это новые звезды. На поверхности белого карлика происходит термоядерный взрыв, из за того что он перетянул с соседней звезды достаточно вещества. Светимость резко повышается а затем постепенно падает. Вспышка на белом карлике до 2 месяцев.

SN это сверхновые. Взрыв звезды с высвобождением огромного количества энергии. В отличии от класса Q, сама звезда уже уничтожается. Дни-недели. Остаток живёт вечность

У каждого спектрального класса есть подгруппы(10- от 0 до 9)отвечающие к какой группе ближе звездаи её температура. Чем меньше номер, тем ближе звезда в высшем классу. И соответственно чем больше тем она ближе к низшему классу и холоднее

Ещё существуют классы светимости:

I Сверхгигант

II Яркий гигант

III Гигант

IV Субгигант

V Карлик главной последовательности

VI Субкарлик

VII Белый карлик (мёртвая звезда)

Наше солнце G2V. Попробуйте сами расшифровать это, а в конце блока будет ответ.

Смерть звезды происходит по многим сценариям:

1 это белый карлик. Звезда по типу солнца превращается в красного гиганта, ядро расширяется и оболочка тоже. Например меркурий и венера будут поглощены солнцем а земля пустыней. Затем сбрасывает планетарную туманность(класс P) и ядро начинает белеть, остывая миллиарды лет. Плотность такого вещества 5 тонн на чайную ложку.

2 сверхновые. Если звезда тяжелее солнца в ~10 раз она взорвётся сверхновой. Огромное выделение энергии. После ядро сжимается или в нейтроную звезду, или может сколлапсировать в черную дыру.

Экзотические варианты:

Нейтронная звезда. Ядро сверхновой сжимается до размера города(20км) и протоны и электроны сжимаются в нейтроны. Чайная ложка весит миллиарды тонн. Она может крутится а может нет. Самая быстрая нейтронная звезда - PSR J0537-6910. 710 оборотов в СЕКУНДУ. Почему такая скорость? Потому что огромное сохранение момента импульса. Как фигуристка прижимает руки и крутится быстрее. Живут миллиарды, но могут ожить при перетягивании вещества и прожить дольше. Если пульсар - то замедляется за 100 млн лет. Nasa записали звук пульсара (да я знаю что в космосе звука нет, это радиоволны которые перевели в слышимый диапазон). К сожалению пикабу не предоставило возможность выставлять аудио. Поэтому если так интересно можете перейти и посмотреть: https://zvukogram.com/category/zvuki-pulsarov/?ysclid=mslt0u...

И первый же звук будет самый известным - пульсара PSR B1919+21

Магнетары. Ужас в нейтронной звезде. Магнитное поле в миллиарды раз больше земного. Если бы он был вместо луны он бы вытянул металл из крови всех людей. Гамма всплески Магнетара одни из самых сильных во вселенной. Живёт до 100 тыс лет, потом становится нейтронной звездой.

Черные дыры. Если звезда массивные солнца в ~20 раз, есть шанс что она сколлапсирует в черную дыру. Гравитация становится сильнее всего. Свет не может вырваться из неё, и летает вокруг раскаляясь до безумных температур. Это аккреационный диск черной дыры. Из за него её иногда видно лучше галактики. Горизонт событий это то место где если будет какой то объект он будет там навсегда для нас. Время там замедляется на огромные величины(ОТО И СТО). Живут до 10^100 лет. Вечность.

Двойные системы это примерно половина всех звёзд. Например одна звезда это белый карлик, которая перетягивает вещество с другой звезды. Вызывает термоядерные вспышки.

Также звезды служат и создателями элементов. Все появилось в них в том числе и кислород.

Ответ на характеристику солнца:

G2V — это жёлтая звезда с температурой ~5800 К (G2), которая находится на главной последовательности (V), то есть стабильно сжигает водород.

БЛОК 3: ГАЛАКТИКИ

Галактика это гравитационное системное объединение звёзд, планет, космической пыли, облаков газа и тёмной материи. В центре большинства галактик находится сверхмассивная черная дыра.

Черные дыры не всасывают, а удерживают галактики. Как гравтационный якорь в море.

Млечный путь - спиральная галактика, диаметром примерно 100 000 световых лет. В ней находится примерно от 200 до 400 млрд звезд. В центре сверхмассивная черная дыра - Стрелец А, массой 4 млн солнц. Мы находимся в одном из рукавов(ориона), на расстоянии ~26000 световых лет от центра.

Бывает 4 вида галактик по классификации Хаббла:

S - спиральные. Форма:плоские, с рукавами. Особенность в том, что в ней много газа и образуются много новых звёзд. Пример: наша галактика млечный путь и соседка андромеда.

Е - эллиптические. Форма: шарообразные, вытянутые. Старые звезды, мало газа. Умирающая галактика. Пример: М87.

Irr - неправильные. У них нет формы. Результат столкновения галактик. Пример: известные Магеллановы Облака, видимые только в южном полушарии

S0 - линзовидные. Форма что то между эллиптическими и спиральными. Диск есть, но рукавов нет. Газа там практически нет, только старые звезды. Скорее всего это были спиральные галактики, которые потеряли ядро. Ngc 3115 "галактика веретено" служит примером.

Проблема: по законам Ньютона галактики должны были разлетется из за быстрого вращения. Но они на месте. Значит, что то невидимое помогает им. Это и есть темная материя. А проблема в том, что мы не можем её обнаружить.

Интересный факт: Большое и Малое Магеллановы Облака постепенно разрушаютсч нашей галактикой

БЛОК 4: Темная материя

Темная материя - это вид материи, который из 4 фундаментальных сил ( слабое и сильное взаимодействие, электромагнитное, Гравитация) взаимодействует только с гравитацией. Она не подвержены ни электромагнитное полю, свету.

История предположения

В 1930 астроном Фриц Цвикки увидел, что в созвездие волосы Вероники галактики двигаются слишком быстро, что противоречит законам Ньютона. Они должны были уже разлетется, но они держались. Он предположил, что им что то помогает. Назвал это "скрытая масса"

В 70-х это подтвердили. Вера Рубин измерила скорость вращения галактики и звёзд. По Ньютону звезды на окраине должны вращается медленнее. Но они вращались с такой же скоростью. И вывод был таков, что галактике что то помогает вращатся. Темная материя составляет примерно 27% вселенной.

Гипотезы - из чего может быть темная материя.

Самый популярный кандидат - WIMPs. Тяжелые частицы, практически не взаимодействующие с материей. Эксперименты пока ничего не дали.

Аксионы - сверхлегкие частицы, предсказаные квантовой теорией, пока результатов нет

MACHOs - чёрные дыры, нейтронные звезды, планеты изгои. Нг их очень мало чтобы объяснить тёмную материю.

Стерильные нейтрино - не участвуют в слабом взаимодействии. Активно ищут.

Селектрон. Он может скапливатся в одном месте (конденсат Бозе - Энштейна), поэтому он тоже подходит. Но это частица из теории струн, суперпартнер электрона, поэтому не каждый верит в него.

Гипотетические методы обнаружения тёмной материи:

Гравитационные линзы: Темная материя искривляет свет от далеких объектов

Наблюдение за звездами: движение галактик помогает определить её точное местоположение и насколько сильно она помогает

Космический микроволновой фон: реликтовое излучение показывает распределение массы по ранней вселенной

Эксперименты на земле: БАК работает над этим, и подземные детекторы ищут WIMPs

Темная материя не изучена вообще никак. Это то, что неосязаемо. Недостигаемо. Но мы не сдаемся и совершенствуемся с каждым днем. Даже то, что мы песчинка не остановит нас изучить песочницу.

Надеюсь, данный пост вам понравился и вы захотите посмотреть другие мои работы. Я был бы рад лайку, таким образом вы говорите, что данный формат вам нравится и я буду делать больше подобного.

Текст никак не взаимодействовал с нейросетью, все написано от руки. Вся информация бралась из открытых источников и переформулирована.

Сильное взаимодействие - без неё не было бы мира привычного нам. Он работает на ничтожно малых величинах (10^-15) и самая мощная. В 10^38 мощнее гравитации. И следовательно в 100 раз Электромагнетизма.

Суть: склеивает кварки в протоны и нейтроны, а те уже в ядра атомов.

Переносчик - глюоны(g) в 8 вариантов заряда, а значит реагируют друг с другом. И создают поля. Поля удерживают кварки на месте. Теорию сильного взаимодействия прозвали квантовой хромодинамикой (КХД).

Слабое взаимодействие - самая хитрая из сил. Да, она слабее сильного взаимодействия в 10^11 раз. Да, слабее Электромагнетизма в 10^6 раз. Но, без неё бы вселенная была бы просто облако газа. Она меняет кварки, тем самым меняя протоны и нейтроны. Она отвечает за распад и за то, чтобы материя была разной. Она не строит. Она переделывает.

Три основные частицы:

W⁺ - прозвали от weak(слабое), отвечает за распад и изменчивость кварков

W⁻ - , отвечает за тоже самое.

Z⁰ - zero(ноль). Заряд нейтральный. Отвечает за перенос слабого взаимодействия без измены заряда (нейтральные токи)

Они очень тяжелые. Протон в ~85 раз меньше их(их масса ~86 ГэВ(гигаэлектронвольт)) поэтому оно и слабое, что действует на малых величинах(10^-18). Примечательно то, что на высоких энергиях слабое взаимодействие и Электромагнетизм обьединяются. Электрослабое взаимодействие было когда вселенная была ещё горяча. Потом они распались как она остыла.

Без него солнце не горело бы(водород в гелий)

Это были 4 фундаментальные силы, правящие миром. Каждая важна по своему. Не было бы одной не было бы нас.

1. Главная проблема физики: две теории, которые не дружат

В современной физике есть два столпа, на которых держится всё наше понимание мира:

Общая теория относительности (Эйнштейн) описывает гравитацию, космос, чёрные дыры, искривление пространства-времени.

Квантовая механика описывает всё остальное (атомы, частицы, свет, электромагнетизм) .

Проблема в том, что эти две теории не работают вместе. Попробуй применить квантовую механику к гравитации, а математика ломается. Попробуй описать атом через теорию относительности, тоже ерунда. И самая популярная попытка обьяснить это теория струн.

Хронология развития теории струн

1968, итальянский физик Габриэле Венециано случайно(почти) находит формулу, описывающую поведение сильного взаимодействия между частицами. Он знает, что это просто математика и подумал что случайность. Позже выяснится, что эта формула описывает колебания струн. Это считается годом рождения теории струн.

1970, Йоитиро Намбу, Хольгер Нильсен и Леонард Сасскинд интерпретируют формулу Венециано как описание одномерных струн. Появляется идея, что адроны (протоны, нейтроны) это не точечные частицы, а колеблющиеся струны.

1974, Джоэл Шерк и Джон Шварц показывают, что теория струн предсказывает частицу с нулевой массой и спином 2 - гравитон. Это переводит теорию из разряда "модели адронов" в теорию квантовой гравитации.

1984, Майкл Грин и Джон Шварц доказывают, что теория струн математически самосогласованна и не содержит бесконечностей (аномалий), (сокращает(сокращает до нуля) их количество в SO(32) и E8×E8) которые убивали другие теории гравитации. Это запускает первую суперструнную революцию.

1985, появляются 5 версий теории струн. Все они требуют 10 измерений и суперсимметрии. Позже выяснится, что все они - частные случаи одной общей теории.

1995, Эдвард Виттен объединяет все 5 версий в одну - М-теорию. Она требует 11 измерений. Струны становятся 2D-мембранами (бранами). Это вторая суперструнная революция.

1997, Хуан Малдасена предлагает AdS/CFT-соответствие (голографический принцип). Он показывает, что квантовая гравитация в 5D-пространстве эквивалентна квантовой теории поля на его 4D-границе. Это даёт мощный математический инструмент для расчётов.

2000-е, настоящее время, теория струн остаётся математически красивой, но экспериментально не подтверждённой гипотезой. БАК(Большой Адронный Коллайдер, простыми словами ускоритель частиц) не нашёл суперсимметрии. Поиски продолжаются.

2. Что такое теория струн простыми словами

Идея звучит почти как фантастика, но не она. вместо того чтобы считать элементарные частицы (электроны, кварки, фотоны) точечными объектами, теория струн предлагает считать их крошечными замкнутыми струнами. Как крошечные резинки, которые колеблется, каждая по своему.

Разные частоты колебаний, это как не странно разные частицы. Одна частота электрон, другая кварк, третья фотон. Всё это просто разные ноты на одной струне.

Если эта идея верна, то все частицы и силы - просто проявления одного и того же объекта. Это и есть "теория всего" .

3. Почему теория струн - это не фантастика, а математика

В отличие от эзотерических учений, теория струн это строгая математическая модель. Она основана на уравнениях, которые работают и предсказывают результаты. Она не говорит "энергия вселенной" или "космический разум". Она говорит: "вот формула, вот следствия, вот как это влияет на расчёты".

Да, мы не можем проверить это в эксперименте - пока технологии не позволяют. Но это не магия. Это раздел теоретической физики, в котором одни из самых умных людей на планете пытаются описать реальность.

4. Проклятие дополнительных измерений

Математика теории струн требует дополнительных измерений. Не 4 (как мы привыкли), а 10 в суперструнной теории и 11 в М-теории.

Эти измерения не такие, как наши три привычных. Они свёрнуты, как будто пространство скручено в трубочку на микроскопическом уровне(плансковская длина: 10^-35 м) . Как напиимер смотришь на садовый шланг, издалека он кажется линией. Но приблизившись, ты видишь, что это трёхмерный объект. Дополнительные измерения теории струн тоже "свёрнуты", мы их не видим, потому что они слишком малы.

4.1 Калибровочная симметрия

Это способ, которым теория струн "следит" за собой. В физике это правило, которое говорит: "Если ты изменишь систему отсчёта или как-то иначе преобразуешь поля, уравнения не должны меняться" . В теории струн калибровочные симметрии — это ограничения на типы струн и их поведение. Они убирают лишние математические состояния, которые не имеют физического смысла. Простыми словами: это" фильтр" , который оставляет только те колебания струн, которые могут существовать в реальности.

4.2 Группы Ли и алгебры Ли

Группа Ли это математический объект, который описывает непрерывные преобразования. Простыми словами: это способ поворачивать, сдвигать или иначе преобразовывать систему, не меняя её сути. Например, вращение сферы это группа Ли SO(3). Сдвиг по плоскости тоже группа Ли.

В физике группы Ли используются, чтобы описпть симметрии - правила, которые говорят: "Если ты сделаешь вот это преобразование, законы физики не изменятся" . Как обычный поворот круга. Ты повернул его на 90 градусов, а он не изменился.

Каждая группа Ли задаёт тип взаимодействия и набор частиц, которые могут существовать. В теории струн группы Ли появляются как калибровочные симметрии - они определяют, какие струны могут колебаться, а какие нет.

Что означают буквы и цифры:

SO(n) группа вращений в n-мерном пространстве(обычные вращения в n количестве пространств) . SO(32) используется в теории струн типа I, тоесть вращения в 32-мерном пространстве

SU(n) группа унитарных преобразований

SU(3) описывает сильное взаимодействие, например кварки.

SU(2) слабое(радиоактивный распад)

U(1) фазовые повороты. Входит в Стандартную модель как часть электрослабого взаимодействия(электромагнетизм(фотоны, свет)

E8 самая сложная исключительная группа Ли, размерность 248. Используется в гетеротической теории E8×E8, представь, что неё есть 248 генераторов, "осей вращения". В абстрактности.

Алгебры Ли это касательное пространство к группе Ли в окрестности единицы. Если группа описывает конечные преобразования, то алгебра описывает бесконечно малые движения. Например, алгебра su(3) - это набор матриц, которые порождают группу SU(3). В струнах алгебры Ли определяют спектр частиц и их взаимодействия. Опять же пример кому не понятно: тот же круг вращают, но уже на ничтожно малых величинах, алгебра объясняет имееено эти малые величины

4.3 Суперсимметрия

Это связь между двумя классами частиц: бозонами (переносчики взаимодействий) и фермионами (материя). Суперсимметрия утверждает, что у каждой частицы есть "суперпартнёр" с другой статистикой. Например, у электрона (фермиона) есть суперпартнёр - "селектрон" (бозон). Тоесть допустим два человека не могут стоят в одной точке как электрон(запрет Паули - два электрона немогут быть в одном состоянии. А есть призрак, который может пройти через человека и встать на ту же точку. И этот призрак это селектрон, который может накапливается в одном месте и быть кандидатом на тёмную материю. Кандидат на тёмную материю это ряд частиц избранные из всех, которые подходят на описание тёмной материи. Нг важно иметь ввиду что это просто сравнение, не относится к их свойствам, а служит объяснением их различия. Бозоны имеют свойство скапливатся в едином состоянии(закон Бозе-Энштейна)

Почему это важно для теории струн? Потому что без суперсимметрии струны предсказывают частицы с массой, которой не существует в природе (тахионы). Суперсимметрия убирает эти нестабильные состояния. Экспериментально суперсимметрия не подтверждена. БАК пока не нашёл суперпартнёров, а это значит, что либо они слишком тяжёлые, либо теории струн без суперсимметрии - тупиковые или у БАКа просто не хватает мощностей для этого.

4.4 Компактификация Калаби–Яу

Это способ "свернуть" дополнительные измерения так, чтобы они не мешали на макроуровне. Это как с тем же шлангом. Смотрите вроде 1д объект, но у него есть диаметр - скрытое измерение. Калаби-Яу примерно также, но сложнее.

4.4.1 Пространства Калаби-Яу - это шестимерные многообразия (при 10 измерениях) или семимерные (при 11). Они имеют сложную, почти фрактальную структуру. Их форма определяет, какие частицы и взвимодействия будут существовать в нашем мире. Если форма одна, будет одна физика. Если другая - совсем другая вселенная. Сейчас таких форм по оценкам ученых более 10^500 степени, и мы не знаем, какая из них соответствует нашей реальности. Это называют проблемой ландшафта.

4.4.2 Голономия это свойство многообразия, которое описывает, как меняется вектор при параллельном переносе по замкнутому контуру. Тоесть изменение вектора движения по замкнутому пути. В теории струн голономия определяет, сколько суперсимметрии сохраняется после компактификации. Два основных типа: голономия SU(3) для пространств Калаби–Яу и голономия G2 для семимерных пространств в М-теории.

4.4.3 G2-многообразия это семимерные компактные многообразия с голономией G2. Они используются в М-теории для сворачивания до четырёх измерений. Они изучены хуже, чем пространства Калаби–Яу, и их свойства пока остаются открытой областью исследований. Это нужет чтобы убрать из лишнюю суперсимметрию оставив 1

4.4.4 Спин 7 (spin(7))

Spin (7) — это голономия, которая появляется в восьмимерных пространствах. Она используется в некоторых экзотических версиях теории струн (например, в F-теории, 12-мерной теории, которая редко упоминается).

Чем она отличается от других? В отличие от SU(3) и G2, она не оставляет суперсимметрии. Это значит, что модели с голономией Spin (7) менее реалистичны для описания нашего мира, потому что мы ожидаем найти хоть какие-то следы суперсимметрии в экспериментах.

Spin (7) это редкий и сложный случай, который пока остаётся математической абстракцией

4.4.5 принцип Кайлера(Kähler )

Пространства Калаби-Яу — это пример так называемых кэлеровых многообразий. Кэлерова структура — это способ измерить расстояния и углы на этих сложных фигурах. Она определяет, какие частицы будут лёгкими, а какие тяжёлыми. Если немного изменить кэлерову структуру — изменится масса электрона и всех остальных частиц. Это одна из причин, почему мы не можем предсказать массы частиц с ходу: мы не знаем точную форму этих свёрнутых измерений.

4.5 Дуальности

Это когда две совершенно разные теории описывают одно и то же явление с разных точек зрения. В теории струн есть T-дуальность (связывает малые и большие расстояния) и S-дуальность (связывает сильное и слабое взаимодействие). Это означает, что теория струн самосогласованна на всех уровнях - она не просто "одна теория" , а семейство теорий, которые переходят друг в друга. Например, в одной теории частица кажется точкой, а в другой струной, но математически это одно и то же.

4.6 голографический принцип (AdS/CFT-соответствие)

Голографический принцип утверждает: вся информация внутри трёхмерного объёма может быть описана на его двухмерной границе. В теории струн это реализовано в рамках AdS/CFT-соответствия. Пррстыми словами: сложная квантовая гравитация внутри пространства эквивалентна простой квантовой теории поля на его границе. Это позволило физикам решать задачи, которые ранее были недоступны.

4.7 Браны

Это объекты высшей размерности. Если струна 1D, то брана может быть 2D, 3D и выше. В струнах есть D-браны, на которых заканчиваются открытые струны, и M-браны (M2 и M5) в М-теории. Ключевая идея создания: гравитоны это замкнутые струны, которые могут отрываться от браны. Именно поэтому гравитация слабее других сил она утекает в другие измерения.

Пример долго думал но может будет понятен

Представь, что ты — жук, который живёт на поверхности листа бумаги. Ты можешь ползать только по этому листу — вперёд, назад, влево, вправо. Для тебя бумага — это 2D-мир.

Теперь представь, что лист бумаги — это брана (поверхность). На ней живут открытые струны — они прикреплены к бумаге и не могут её покинуть. Это как если бы жук был приклеен к листу.

Но есть ещё замкнутые струны — они не привязаны к бумаге. Они могут оторваться от листа и улететь в пространство над ним. Это как если бы жук мог выпрыгнуть с листа и полететь.

4.8 Модули — настройки реальности

Модули это скалярные поля, которые определяют форму и размер компактных измерений. Основные модули:

Дилатон задаёт константу связи (силу всех взаимодействий).(константа это неизменное, const)

Аксион связан с фазами, влияет на свойства частиц.

Модули формы определяют, как именно свернуты дополнительные измерения.

От ожидаемых значений этих полей зависит вся низкоэнергетическая физика, которую мы наблюдаем: массы частиц, константы связи и даже число поколений фермионов. Проблема в том, что теория не предсказывает эти значения. Они могут быть любыми - отсюда возникает проблема ландшафта. Тоесть она практически не проверяема, так как наша вселенная одна из 10^500(по оценкам учёных)

5. Гравитон и объединение всех сил

Одна из самых крутых и интересных вещей в теории струн - она включает гравитацию. В стандартной модели (которая описывает всё, кроме гравитации) гравитации нет места. А в теории струн появляется гравитон, частица-переносчик гравитации, которая возникает как одно из колебаний замкнутой струны, которая может отрываться от браны. Именно это объясняет, почему гравитация такая слабая - она утекает в другие измерения.

Это значит, что все четыре взаимодействия (гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое) могут быть объяснены единым образом.

Перед фундаментальные частицами я бы хотел добавить про спины и что это такое:

Спин это фундаментальное свойство частиц, которое можно представить как их собственный момент импульса. Он измеряется в долях постоянной Планка и бывает двух типов: целым у бозонов и полуцелым у фермион ов.

У бозонов — фотона, глюона, W- и Z-бозонов, бозона Хиггса и гипотетического гравитона — спин целый. Например, у бозона Хиггса спин равен 0, у фотона и глюона — 1, у гипотетического гравитона — 2

У фермионов — электронов, кварков, нейтрино — спин полуцелый(1/2). У всех этих частиц он равен одной второй. Существуют также гипотетические фермионы со спиной 3/2, но они пока не обнаружены.

Спин определяет, как частицы ведут себя в коллективе. Бозоны с целым спином могут находиться в одном и том же состоянии и собираться вместе. Именно поэтому свет можно сфокусировать в лазерный пуяок, а гелий становится сверхтекучим при низких температурах. Фермионы с полуцелым спином не могут занимать одно и то же состояние. На каждое квантовое состояние может приходиться только одна частица. Именно благодаря этому правилу, которое называется запретом Паули, электроны не падают на ядра атомов, а материя остаётся твёрдой.

В теории струн спин частицы определяется типом колебания струны. Разные колебания дают разные частицы с разными спинами. Гравитон, например, возникает как колебание замкнутой струны со спином 2, фотон — со спином 1, а бозон Хиггса — со спином 0.

6. Фундаментальные частицы (стандартная модель + гипотетические)

Фермионы (материя, спин 1/2) — 12 штук

Кварки (6):

Верхний u (up) +2/3

Нижний d (down) −1/3

Очарованный c (charm) +2/3

Странный s (strange) −1/3

Истинный t (top) +2/3

Прелестный b (bottom/beaut y) −1/3

Лептоны (6):

Электрон e −1

Электронное нейтрино νₑ 0

Мюон μ −1

Мюонное нейтрино ν_μ 0

Тау-лептон τ −1

Тау-нейтрино ν_τ 0

Бозоны (переносчики взаимодействий, целый спин) - 5(13)

γ (фотон) - электромагнетизм

g (глюон) - сильное взаимодействие(8 цветовых состояний)

W⁺, W⁻, Z⁰ - слабое взаимодействие, W⁺ и W⁻ отличаются зарядом. Это античастицы.

H (бозон Хиггса) - масса

Гипотетические частицы

Гравитон - переносчик гравитации, предсказывается в теории струн.

Суперпартнёры (если суперсимметрия верна)

Сэлектрон, скварк, фотино, глюино, вино, зино, хиггсино, гравити но.

7. Проблема теории струн

Теория струн не имеет ни одного экспериментального подтверждения. Её не проверили в ускорителях, не нашли её следов в космосе. Это чистая математика, которая пока не подтверждена реальностью. Это как иметь красивую теорию, которая объясняет всё - но не даёт возможности сказать: "А вот это можно проверить" . Поэтому многие физики считают, что теория струн - это не физтка, а математическая философия.

8. Почему это важно знать

Теория струн - это край современной науки. Это не эзотерика, не "энергия вселенной" , не "секретные знания". Это честная попытка человечества понять устройство мира, даже если мир устроен сложнее, чем мы можем себе представить.

Если теория струн верна - значит, наша реальность гораздо глубже, чем мы привыкли думать. Если она ошибочна - значит, придётся искать дальше.

И в этом и есть настоящая физика: не знать, но искать.

Итог

Теория струн это не ответ. Это вопрос, заданный на языке математики. И пока мы не сможем проверить его, это остаётся самой красивой гипотезой человечества. Не верой. Не магией. Поиском.

Специально для тех, кто любит придираться к словам: этот пост - для широкой аудитории, а не для защиты диссертации. Если вы нашли неточность, напишите, я поправлю. Если вы хотите просто показать, что вы умнее проходите мимо. И если вам понравилось, я был бы рад продвижению.

Из источников брал цифры, символы, фото. Остальное написано от руки и надеюсь оцените старания.

Для оценки читаемости поста была применена ИИ. Скрин

Я сделал все честно и показал вам весь процесс. Надеюсь, теперь не будет вопросов.

3D+время. Это то в чем мы живём. Добавляется Пространство-время.

4D - это пространство с четырьмя координатами. Пример: гиперкуб (тессеракт) если у нас куб это 6 квадратов Соединенные по особенному. То гиперкуб это 8 кубов Соединенные по особенному. Для это не воспринимаемое. Эта координата перпендикулярна всем остальным и вне нашего понимания. Время — не измерение в геометрическом смысле, а отдельная координата в модели Минковского

5D - уже начинает ломается мозг. В 5D структуре не бывает хронологии времен, это всё есть сразу. Как в интерстелларе если кто смотрел. Это как длительность ролика, вы видите что будет потом что сейчас и до. единым видео.

6D и 7D уже очень сложны для понимания.

Это чисто математические абстракции.

Надеюсь понятно объяснил.

5 существует 0D пространство. она описывается как материальная точка без размера. В ней нет ничего обьект находящийся в нем, находится во всех состояниях(плазма, жидкое, твёрдое, газообразное) и ни в каком одновремено. Запутанность в этом измерении очень большая.

Надеюсь здесь я никого не задел, а просто порадовал.