Strängteorins historia

Strängteorins historia sträcker sig över flera decennier av intensiv forskning inklusive två supersträngrevolutioner. Genom de kombinerade ansträngningarna från många forskare strängteori utvecklats till ett brett och varierat ämne med kopplingar till kvantgravitation , partikel- och kondenserad materiens fysik , kosmologi och ren matematik .

1943–1959: S-matristeori

Strängteorin representerar en utväxt av S-matristeorin , ett forskningsprogram som påbörjades av Werner Heisenberg 1943 efter John Archibald Wheelers introduktion av S-matrisen 1937. Många framstående teoretiker tog upp och förespråkade S-matristeori, med början i slutet av 1950-talet och under hela 1960-talet. Fältet blev marginaliserat och kasserades i mitten av 1970-talet och försvann på 1980-talet. Fysiker försummade det eftersom några av dess matematiska metoder var främmande, och eftersom kvantkromodynamiken ersatte det som ett experimentellt mer kvalificerat tillvägagångssätt till de starka interaktionerna .

Teorin presenterade en radikal omtanke om grunderna för fysiska lagar. På 1940-talet hade det blivit klart att protonen och neutronen inte var punktlika partiklar som elektronen. Deras magnetiska moment skilde sig mycket från det för en punktliknande spin-½- laddad partikel, för mycket för att hänföra skillnaden till en liten störning . Deras interaktioner var så starka att de spred sig som en liten sfär, inte som en punkt. Heisenberg föreslog att de starkt interagerande partiklarna i själva verket var utvidgade objekt, och eftersom det finns principiella svårigheter med utvidgade relativistiska partiklar, föreslog han att föreställningen om en rum-tidpunkt bröt samman på kärnskala.

Utan rum och tid blir det svårt att formulera en fysikalisk teori. Heisenberg föreslog en lösning på detta problem: att fokusera på de observerbara kvantiteterna - de saker som kan mätas med experiment. Ett experiment ser bara en mikroskopisk mängd om den kan överföras av en serie händelser till de klassiska enheterna som omger experimentkammaren. Objekten som flyger till oändligheten är stabila partiklar, i kvantöverlagringar av olika momentumtillstånd.

Heisenberg föreslog att även när rum och tid är opålitliga, fungerar begreppet momentumtillstånd, som definieras långt borta från experimentkammaren, fortfarande. Den fysiska kvantitet han föreslog som grundläggande är den kvantmekaniska amplituden för en grupp av inkommande partiklar att förvandlas till en grupp av utgående partiklar, och han medgav inte att det fanns några steg däremellan.

S -matrisen är den kvantitet som beskriver hur en samling av inkommande partiklar förvandlas till utgående. Heisenberg föreslog att man skulle studera S-matrisen direkt, utan några antaganden om rum-tidsstruktur. Men när övergångar från långt förflutna till långt borta sker i ett steg utan mellansteg, blir det svårt att beräkna någonting. I kvantfältteorin är de mellanliggande stegen fluktuationerna av fält eller motsvarande fluktuationer av virtuella partiklar. I denna föreslagna S-matristeori finns det inga lokala storheter alls.

Heisenberg föreslog att använda enhetlighet för att bestämma S-matrisen. I alla tänkbara situationer måste summan av amplitudernas kvadrater vara lika med 1. Denna egenskap kan bestämma amplituden i en kvantfältteori ordningsföljd i en störningsserie när de grundläggande interaktionerna väl är givna, och i många kvantfältsteorier amplituderna växa för snabbt vid höga energier för att göra en enhetlig S-matris. Men utan extra antaganden om högenergibeteendet räcker inte enhetlighet för att avgöra spridningen, och förslaget ignorerades i många år.

Heisenbergs förslag återupplivades 1956 när Murray Gell-Mann insåg att spridningsförhållanden – som de som upptäcktes av Hendrik Kramers och Ralph Kronig på 1920-talet (se Kramers–Kronig relationer ) – tillåter formuleringen av en föreställning om kausalitet, en föreställning om att händelser i framtiden skulle inte påverka händelser i det förflutna, även när den mikroskopiska föreställningen om dåtid och framtid inte är tydligt definierade. Han insåg också att dessa relationer kan vara användbara för att beräkna observerbara värden för fallet med stark interaktionsfysik. Dispersionsrelationerna var analytiska egenskaper hos S-matrisen, och de införde strängare villkor än de som följer av enbart enhetlighet. Denna utveckling inom S-matristeorin härrörde från Murray Gell-Mann och Marvin Leonard Goldbergers (1954) upptäckt av korsningssymmetri , ett annat villkor som S-matrisen var tvungen att uppfylla.

Framstående förespråkare för den nya strategin för "spridningsrelationer" inkluderade Stanley Mandelstam och Geoffrey Chew , båda vid UC Berkeley vid den tiden. Mandelstam upptäckte de dubbla spridningsförhållandena, en ny och kraftfull analytisk form, 1958, och trodde att den skulle ge nyckeln till framsteg i de svårlösta starka interaktionerna.

1959–1968: Regge-teori och bootstrap-modeller

Huvudartikel: Regge-teori

I slutet av 1950-talet hade många starkt interagerande partiklar av allt högre spinn upptäckts, och det blev tydligt att de inte alla var grundläggande. Medan den japanske fysikern Shoichi Sakata föreslog att partiklarna kunde förstås som bundna tillstånd för bara tre av dem (protonen, neutronen och Lambda ; se Sakata-modellen ), trodde Geoffrey Chew att ingen av dessa partiklar är fundamentala (för detaljer, se Bootstrap-modell ). Sakatas tillvägagångssätt omarbetades på 1960-talet till kvarkmodellen av Murray Gell-Mann och George Zweig genom att göra laddningarna av de hypotetiska beståndsdelarna fraktionerade och förkasta idén att de var observerade partiklar. På den tiden ansågs Chews tillvägagångssätt vara mer mainstream eftersom det inte introducerade fraktionella laddningsvärden och eftersom det fokuserade på experimentellt mätbara S-matriselement, inte på hypotetiska punktliknande beståndsdelar.

År 1959 upptäckte Tullio Regge , en ung teoretiker i Italien, att bundna tillstånd inom kvantmekaniken kan organiseras i familjer som kallas Regge-banor , där varje familj har distinkta vinkelmoment . Denna idé generaliserades till relativistisk kvantmekanik av Stanley Mandelstam , Vladimir Gribov och Marcel Froissart , med hjälp av en matematisk metod (Sommerfeld-Watson-representationen) upptäckt decennier tidigare av Arnold Sommerfeld och Kenneth Marshall Watson : resultatet dubbades Froissart–Gribov-formeln.

År 1961 insåg Geoffrey Chew och Steven Frautschi att mesoner hade raka Regge-banor (i deras schema plottas spinn mot massa i kvadrat på en så kallad Chew-Frautschi-plot), vilket antydde att spridningen av dessa partiklar skulle ha mycket konstigt beteende – det bör falla av exponentiellt snabbt i stora vinklar. Med denna insikt hoppades teoretiker att konstruera en teori om sammansatta partiklar på Regge-banor, vars spridningsamplituder hade den asymptotiska form som Regge-teorin kräver.

År 1967 var ett anmärkningsvärt steg framåt i bootstrap-metoden principen om DHS-dualitet som introducerades av Richard Dolen, David Horn och Christoph Schmid 1967 på Caltech (den ursprungliga termen för det var "genomsnittlig dualitet" eller "finita energisummeregeln" (FESR) dualitet"). De tre forskarna märkte att Regge-polutbyte (vid hög energi) och resonans (vid låg energi) beskrivningar erbjuder flera representationer/approximationer av en och samma fysiskt observerbara process.

1968–1974: Dubbelresonansmodell

Den första modellen där hadroniska partiklar i huvudsak följer Regge-banorna var den dubbla resonansmodellen som konstruerades av Gabriele Veneziano 1968, som noterade att Euler beta-funktionen kunde användas för att beskriva 4-partikelspridningsamplituddata för sådana partiklar. Veneziano -spridningsamplituden (eller Veneziano-modellen) generaliserades snabbt till en N -partikelamplitud av Ziro Koba och Holger Bech Nielsen (deras tillvägagångssätt kallades Koba–Nielsen-formalismen), och till vad som nu erkänns som slutna strängar av Miguel Virasoro och Joel A. Shapiro (deras tillvägagångssätt kallades Shapiro-Virasoro-modellen).

1969 gjorde Chan-Paton-reglerna (föreslagna av Jack E. Paton och Hong-Mo Chan) det möjligt att lägga till isospin- faktorer till Veneziano-modellen.

1969–70 presenterade Yoichiro Nambu , Holger Bech Nielsen och Leonard Susskind en fysisk tolkning av Veneziano-amplituden genom att representera kärnkrafter som vibrerande, endimensionella strängar. Men denna strängbaserade beskrivning av den starka kraften gjorde många förutsägelser som direkt motsäger experimentella fynd.

1971 försökte Pierre Ramond och, oberoende av varandra, John H. Schwarz och André Neveu att implementera fermioner i den dubbla modellen. Detta ledde till konceptet "snurrande strängar", och visade vägen till en metod för att ta bort den problematiska tachyonen (se RNS-formalism ).

Dubbla resonansmodeller för starka interaktioner var ett relativt populärt studieämne mellan 1968 och 1973. Det vetenskapliga samfundet tappade intresset för strängteori som en teori om starka interaktioner 1973 när kvantkromodynamik blev huvudfokus för teoretisk forskning (främst på grund av den teoretiska överklagande av dess asymptotiska frihet ).

1974–1984: Bosonisk strängteori och supersträngteori

År 1974 studerade John H. Schwarz och Joël Scherk , och oberoende Tamiaki Yoneya , de bosonliknande mönstren av strängvibrationer och fann att deras egenskaper exakt matchade gravitonens egenskaper, gravitationskraftens hypotetiska budbärarpartikel . Schwarz och Scherk hävdade att strängteorin hade misslyckats med att fånga upp eftersom fysiker hade underskattat dess omfattning. Detta ledde till utvecklingen av bosonisk strängteori .

Strängteorin är formulerad i termer av Polyakov-handlingen , som beskriver hur strängar rör sig genom rum och tid. Liksom fjädrar tenderar strängarna att dra ihop sig för att minimera deras potentiella energi, men bevarande av energi hindrar dem från att försvinna, och istället svänger de. kvantmekanikens idéer på strängar är det möjligt att härleda strängarnas olika vibrationslägen, och att varje vibrationstillstånd verkar vara en annan partikel. Massan av varje partikel, och det sätt som den kan interagera med, bestäms av hur strängen vibrerar - i huvudsak av "noten" som strängen "ljud". Skalan av noter, som var och en motsvarar en annan sorts partikel, kallas teorins " spektrum ".

Tidiga modeller inkluderade både öppna strängar, som har två distinkta ändpunkter, och slutna strängar, där ändpunkterna är sammanfogade för att göra en komplett slinga. De två typerna av strängar beter sig på något olika sätt, vilket ger två spektra. Inte alla moderna strängteorier använder båda typerna; vissa innehåller endast den slutna sorten.

Den tidigaste strängmodellen har flera problem: den har en kritisk dimension D = 26, en egenskap som ursprungligen upptäcktes av Claud Lovelace 1971; teorin har en grundläggande instabilitet, närvaron av tachyoner (se tachyonkondensation ) ; Dessutom innehåller partiklarnas spektrum endast bosoner , partiklar som fotonen som följer särskilda beteenderegler. Även om bosoner är en kritisk ingrediens i universum, är de inte dess enda beståndsdelar. Att undersöka hur en strängteori kan inkludera fermioner i sitt spektrum ledde till uppfinningen av supersymmetri (i väst ) 1971, en matematisk transformation mellan bosoner och fermioner. Strängteorier som inkluderar fermioniska vibrationer är nu kända som supersträngteorier .

1977 ledde GSO-projektionen (uppkallad efter Ferdinando Gliozzi , Joël Scherk och David I. Olive ) till en familj av tachyonfria enhetliga fria strängteorier, de första konsekventa supersträngteorierna (se nedan ).

1984–1994: Första supersträngrevolutionen

Den första supersträngrevolutionen är en period av viktiga upptäckter som började 1984. Man insåg att strängteorin kunde beskriva alla elementarpartiklar såväl som växelverkan mellan dem. Hundratals fysiker började arbeta med strängteori som den mest lovande idén för att förena fysikaliska teorier. Revolutionen startade av en upptäckt av avvikelseavbrott i typ I-strängteorin via Green–Schwarz-mekanismen (uppkallad efter Michael Green och John H. Schwarz) 1984. Den banbrytande upptäckten av den heterotiska strängen gjordes av David Gross , Jeffrey Harvey , Emil Martinec och Ryan Rohm 1985. Det insågs också av Philip Candelas , Gary Horowitz , Andrew Strominger och Edward Witten 1985 att för att erhålla $N=1$ supersymmetri , de sex små extra dimensioner (den kritiska dimensionen D = 10 av supersträngteorin hade ursprungligen upptäckts av John H. Schwarz 1972) måste kompakteras på ett Calabi-Yau-grenrör . (Inom strängteorin är komprimering en generalisering av Kaluza–Klein-teorin , som först föreslogs på 1920-talet.)

År 1985 hade fem separata supersträngteorier beskrivits: typ I, typ II (IIA och IIB) och heterotisk (SO(32) och E ₈ × E ₈ ) .

Discover i novembernumret 1986 (vol. 7, #11) innehöll en omslagsartikel skriven av Gary Taubes , "Everything's Now Tied to Strings", som förklarade strängteori för en populär publik.

1987 visade Eric Bergshoeff , Ergin Sezgin och Paul Townsend att det inte finns några supersträngar i elva dimensioner (det största antalet dimensioner överensstämmer med en enda graviton i supergravitationsteorier ), utan supermembran .

1994–2003: Andra supersträngrevolutionen

I början av 1990-talet fann Edward Witten och andra starka bevis för att de olika supersträngteorierna var olika gränser för en 11-dimensionell teori som blev känd som M-teori (för detaljer, se Introduktion till M-teori ). Dessa upptäckter utlöste den andra supersträngrevolutionen som ägde rum ungefär mellan 1994 och 1995.

De olika versionerna av supersträngteorin förenades, som länge hoppats, genom nya motsvarigheter. Dessa är kända som S-dualitet , T-dualitet , U-dualitet , spegelsymmetri och konifoldövergångar . De olika teorierna om strängar var också relaterade till M-teorin.

1995 upptäckte Joseph Polchinski att teorin kräver inkludering av högre dimensionella objekt, kallade D-branes : dessa är källorna till elektriska och magnetiska Ramond-Ramond-fält som krävs av strängdualitet . D-branes lade till ytterligare rik matematisk struktur till teorin och öppnade möjligheter för att konstruera realistiska kosmologiska modeller i teorin (för detaljer, se Brane kosmologi ).

1997–98 antog Juan Maldacena ett samband mellan typ IIB strängteori och N = 4 supersymmetrisk Yang–Mills teori , en gauge teori . Denna gissning, kallad AdS/CFT-korrespondens , har genererat ett stort intresse för högenergifysik . Det är ett förverkligande av den holografiska principen , som har långtgående konsekvenser: AdS/CFT-korrespondensen har hjälpt till att klargöra mysterierna med svarta hål som föreslås av Stephen Hawkings arbete och tros ge en lösning på informationsparadoxen för svarta hål .

2003–nutid

År 2003 ledde Michael R. Douglas upptäckt av det strängteoretiska landskapet , som antyder att strängteorin har ett stort antal olikvärdiga falska vakuum , till många diskussioner om vad strängteorin så småningom kan förväntas förutsäga, och hur kosmologi kan vara införlivas i teorin.

En möjlig mekanism för strängteorisk vakuumstabilisering ( KKLT-mekanismen ) föreslogs 2003 av Shamit Kachru , Renata Kallosh , Andrei Linde och Sandip Trivedi .

Se även

• Historien om kvantfältteorin
• Historien om loop kvantgravitation

Anteckningar

•   Rickles, Dean (2014). En kort historia om strängteori: Från dubbla modeller till M-teori . Springer. ISBN 978-3-642-45128-7 .

Vidare läsning

•   Paul Frampton (1974). Dubbla resonansmodeller . Frontiers in Physics, WA Benjamin. ISBN 978-0-8053-2581-2 .
• Joel A. Shapiro (2007). "Reminiscens om födelsen av strängteorin". arXiv : 0711.3448 [ hep-th ].
• John H. Schwarz (2012). "Den tidiga historien om strängteori och supersymmetri". arXiv : 1201.0981 [ physics.hist-ph ].
•   Andrea Cappelli; Elena Castellani; Filippo Colomo; Paolo Di Vecchia (2012). The Birth of String Theory . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-19790-8 .