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O caminho para uma teoria unificada Parte 2 (2)

　　　　　　　　Integração da relatividade geral e da teoria das partículas elementares

◆ Esclarecimento das três forças da força eletromagnética, da força fraca e da força forte na teoria padrão usando a teoria quântica

◆ Estabelecimento da teoria padrão

O Modelo Padrão conseguiu descrever três das quatro interações básicas, a força eletromagnética, a força fraca e a força forte, na teoria quântica baseada na teoria de Yang-Mills.

O Modelo Padrão é uma teoria para descrever as três interações fundamentais na física de partículas: interações fortes, interações fracas e interações eletromagnéticas.

O modelo padrão é a simetria de calibre SU(3)c×SU(2)L×U(1)Y, combinando cromodinâmica quântica para interações fortes, teoria de Weinberg-Salam para interações fracas e eletromagnéticas. Baseado em teorias como Kobayashi-Maskawa teoria sobre quebra de simetria a vácuo e aquisição de massa de férmions pelo mecanismo de Higgs, estrutura de geração de férmions e mistura intergeracional e quebra de simetria CP devido a requisitos de cancelamento de anomalias é um termo genérico para

O modelo padrão é descrito de uma forma quântica de campos teóricos como uma teoria quântica consistente com a teoria especial da relatividade.

◆◆ Tentativa de Integrar a Relatividade Geral e a Mecânica Quântica

◆ Teoria

da gravidade quântica A teoria da gravidade quântica é uma teoria que quantiza a interação gravitacional (gravidade). Também é chamado simplesmente de Gravidade Quântica, Gravitação Quântica ou Teoria Quântica da Gravidade.

Matvey Bronstein, um judeu russo, é considerado um pioneiro. Espera-se que seja uma teoria que unifique a relatividade geral e a mecânica quântica. O candidato mais promissor é a "teoria das cordas".

Uma simples quantização da teoria da relatividade por perturbação causa divergência ultravioleta no nível de segunda ordem. No entanto, a própria relatividade geral pode ser considerada em termos de teoria de gauge. A partir disso, de acordo com a teoria do medidor gravitacional, o gráviton é considerado um bóson com um spin de 2. Então, a teoria da supergravidade foi desenvolvida a seguir. Esta é a teoria de que os grávitons têm spin 3/2 gravitinos (gravitinos) como parceiros de supersimetria. No entanto, foi apontado que esta teoria também pode divergir em um nível superior. A próxima teoria que foi inventada foi a teoria das supercordas. Esta é a teoria de que o gráviton é descrito por uma corda fechada. Essa teoria também é chamada de teoria definitiva porque envolve bósons de calibre, como fótons, bósons fracos, glúons e férmions como cadeias abertas.

▼ Resultados da simulação dos dados do detector LHC CMS representando o bóson de Higgs produzido pela colisão de prótons e colapso em jatos de hádrons e elétrons

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Os buracos negros são um dos principais alvos de pesquisa na teoria da gravidade quântica. Acredita-se que a teoria geral da relatividade se desfaça dentro de um buraco negro, e uma teoria que quantize o espaço-tempo é eficaz lá. Um desenvolvimento recente nessa direção inclui o princípio holográfico. Isso sugere que o limite de armazenamento de informações dentro de um buraco negro depende de sua área de superfície e não de seu volume. Isso tem algo em comum com a membrana da teoria das cordas. Existe também a ideia de que alguma física pode ser reduzida ao limite de variedades como uma correspondência AdS/CFT.

De qualquer forma, o maior problema em considerar a gravidade quântica é que o princípio básico que deve ser usado como diretriz não é bem compreendido. Em primeiro lugar, a gravidade é a mais fraca das quatro forças (interações básicas) que existem no mundo natural, e os fenômenos que se pensa estarem relacionados à gravidade quantizada não foram observados em um nível que possa ser alcançado atualmente.

◆ De pontos a “cordas”… o surgimento da teoria das cordas

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A teoria que descrevia as menores escalas antes da teoria das cordas era a teoria quântica de campos. Nesse artigo, as partículas eram tratadas como pontos, ou seja, como partículas pontuais (havia também a teoria da matriz S e a teoria de campos não locais, que introduziram o conceito de partículas com espalhamento em vez da teoria de campos locais). A teoria das cordas , por outro lado, descreve as partículas como vibrações de cordas .

　　　▼ A fórmula da função de Euler levou à descoberta da "teoria das cordas".

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O caminho para a teoria das supercordas

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Primeiro, no início da década de 1950, Tullio Regge descobriu em seus experimentos de espalhamento de hádrons que existe uma relação linear entre o quadrado da massa restante em ressonância e o spin (órbita de Regge).

Do final da década de 1950 até a década de 1960, muitas partículas fortemente interativas (hádrons) foram descobertas e começaram os estudos sobre sua classificação e composição. A teoria das cordas, a base da teoria das supercordas, foi criada para descrever a natureza dessas forças fortes que atuam entre as partículas.

Na década de 1960, o físico italiano Gabriele Veneziano expressou a natureza da força forte atuando dentro do núcleon em termos da função beta, e Yoichiro Nambu descobriu que a estrutura indicada por essa expressão era descrita por uma corda. Holger Beck Nielsen percebeu.

Com base nessa fórmula, Yoichiro Nambu, Leonard Susskind e Holger Beck-Nielsen anunciaram em 1970 que os hádrons eram cordas vibrantes. Em sua teoria das cordas publicada independentemente, os hádrons consistiam em cordas vibrantes em vez de partículas, e cada partícula correspondia ao seu próprio modo de vibração. No entanto, essa teoria era falha porque a vibração das cordas continha táquions, o que representava a instabilidade da teoria.

Havia também o problema de que a teoria das cordas de Nambu e outros descrevia apenas bósons e não conseguia lidar com férmions.estudiosos eram uma minoria.

Em 1971, P. Ramon da França, A. Nouveau e J. Schwartz dos Estados Unidos propuseram um modelo que pode lidar com bósons e férmions. Este modelo levou ao desenvolvimento da teoria das supercordas.

O advento da teoria das cordas (1974)

Em 1974, John Schwartz e Joel Scherk (en), e independentemente Tamiaki Yoneya, estudaram o comportamento semelhante ao bóson das vibrações das cordas e descobriram que suas propriedades estavam estritamente associadas à gravidade (uma hipotética partícula "mensageira" gravitacional. as propriedades do gráviton). Os físicos subestimaram o espaço para um maior desenvolvimento dessa teoria das cordas, e Schwartz e Scherk argumentaram que a teoria das cordas não conseguiu pegar. Como resultado desse debate, a teoria das cordas bosônicas foi a primeira teoria das cordas ensinada a muitos estudantes e levou ao seu desenvolvimento posterior.

Podemos pensar em dois tipos de cordas: cordas fechadas e cordas abertas, onde as cordas abertas contêm partículas de calibre 1 (correspondentes a fótons, bósons fracos, glúons, etc.) Contém grávitons de spin 2. Qualquer consideração de interações de cordas abertas inevitavelmente envolve a inclusão de cordas fechadas, ou seja, grávitons. Portanto, descobriu-se que é difícil considerá-la uma teoria que descreve apenas forças fortes.

Por outro lado, considerando a corda como um elemento básico, pensa-se que uma versão quantizada da gravidade pode ser obtida naturalmente. Portanto, a teoria das cordas pode se tornar uma teoria de tudo.

◆ O Declínio

da Teoria das Cordas A teoria dos hádrons das cordas tinha várias falhas. Essa descrição baseada em cordas de forças fortes produz uma série de previsões que contradizem diretamente os resultados experimentais. Primeiro, o espaço-tempo no qual o movimento das cordas pode ser mantido de forma estável é limitado a 26 dimensões. Além disso, o spin da corda é um número inteiro e possui propriedades semelhantes a bósons, apesar da teoria dos hádrons. Outros tipos de vibrações de corda fechada foram propostos para a existência de grávitons e táquions, que representam a instabilidade da teoria.

Na época em que essas deficiências foram descobertas, o desenvolvimento da cromodinâmica quântica, que supõe que as forças são mediadas por glúons, partículas do campo de calibre, começou em 1974 e provou ser uma descrição precisa das propriedades das interações fortes. Nambu imaginou que os quarks são confinados de tal forma que, por mais que o barbante seja cortado, as pontas não podem ser extraídas e novas pontas são formadas. Em contraste, na cromodinâmica quântica, quando dois quarks são separados, em vez de simplesmente separá-los ainda mais, um novo par quark-antiquark é gerado a partir do vácuo entre eles, e os novos dois quarks. uma partícula constituinte é menor.

Por esse motivo, a maioria dos pesquisadores se afastou da teoria das cordas. Sobre a situação na época, Nambu disse: "No final, acho que foi por volta de 1974 que se concluiu que a teoria das cordas, o chamado modelo de cordas dos hádrons, era inútil. Quase todos os pesquisadores da época reunidos na reunião, e ouvi do Sr. (Keiji) Yoshikawa que a conclusão na época era que isso não seria possível." A teoria das cordas dos hádrons é agora considerada um modelo fenomenológico que descreve semi-quantitativamente as linhas de força no campo de calibre entre os quarks.

◆◆Emergência da Teoria das Supercordas (1984)

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Mesmo após o fracasso da teoria das cordas dos hádrons, um pequeno número de pesquisadores ficou fascinado pela teoria das cordas, que pode descrever sistemas incluindo a gravidade, e continuaram suas pesquisas. No início dos anos 1970, John Schwartz e André Nouveau criaram uma teoria das cordas de supersimetria, que adicionou propriedades fermiônicas de spin semi-inteiro a cordas bosônicas de spin inteiro. Ao mesmo tempo, no entanto, a pesquisa da grande unificação pela teoria de calibre tornou-se popular e a teoria das cordas caiu no esquecimento.

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Durante esse tempo, John Schwartz e Michael Green continuaram suas pesquisas tenazmente e, em 1984, estabeleceram a teoria das supercordas, que é consistente com a relatividade e incorpora a supersimetria quantizada. Eles fizeram o comprimento da corda tão pequeno quanto 10-35m, e fizeram o espaço-tempo no qual a corda se move em 10 dimensões. Além disso, usando simetria interna especial, conseguimos fazer a teoria da unidade mínima da matéria sem contradição matemática.

　　　　　Na teoria das supercordas , as partículas são representadas como vibrações de cordas.

　　　　▼ "String" de energia vibratória

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A primeira revolução das cordas

Em 1984, quando Green e John Schwartz demonstraram a existência de uma teoria da supergravidade sem anomalias e de uma teoria das supercordas em 10 dimensões, a teoria das supercordas ganhou destaque. Em particular, na teoria das supercordas heteróticas com campos de calibre E8×E8, as 6 dimensões extras das 10 dimensões definidas na teoria são compactadas por variedades de Calabi-Yau, e em baixas energias N = 1 {\ Uma teoria com estilo de exibição { \mathcal {N}}=1} {\mathcal {N}}=1 a supersimetria foi derivada e foi ativamente estudada como candidata a uma teoria unificada, incluindo a gravidade.

No entanto, o mecanismo pelo qual as 6 dimensões extras são compactadas é desconhecido, e existem inúmeros tipos de variedades que podem ser compactadas, sendo impossível selecionar uma delas dentro do escopo da teoria de perturbação.

◆ Segunda Revolução das Cordas

Em 1995, Polchinski mostrou que a D-brana era a solução sóliton da teoria das supercordas, e Witten propôs uma teoria M de 11 dimensões que unifica as cinco teorias conhecidas das supercordas. Holofote. Combinando esses dois com várias dualidades previamente conjecturadas (S-dualidade, T-dualidade), foram descobertas as propriedades não perturbativas da teoria das supercordas, que anteriormente haviam sido definidas apenas dentro do escopo da teoria da perturbação. natureza de Além disso, como as propriedades das D-branas em baixas energias são descritas pela teoria de gauge supersimétrica, é possível investigar as propriedades da teoria das supercordas usando a teoria de gauge. Tornou-se possível investigar a natureza não perturbativa da teoria e tem sido intensamente estudado.

Esta D-brana é um buraco negroTambém foi usado ao derivar a expressão de entropia da física a partir da mecânica estatística e forneceu evidências de que a teoria das supercordas é uma teoria quântica da gravidade. Além disso, a correspondência AdS/CFT de Maldacena conjectura que a teoria de calibre supersimétrica e a teoria de supergravidade, que são teorias completamente diferentes, tornam-se equivalentes sob certos limites, e a teoria das supercordas, a teoria da gravidade e a teoria de calibre forneceram novos conhecimentos.

Em 1995, Edward Witten propôs a teoria M, que integra cinco teorias de supercordas em uma teoria de 11 dimensões.

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