Les éléments de base de la théorie des cordes

Cinq idées clés sont au cœur de la théorie des cordes. Familiarisez-vous avec ces éléments clés de la théorie des cordes dès le départ. Lire la suite pour les bases de ces cinq idées de la théorie des cordes dans les sections ci-dessous.

Sommaire

Cordes et les membranes

Lorsque la théorie a été initialement développé dans les années 1970, les filaments d'énergie dans la théorie des cordes ont été considérés comme des objets de dimension 1: cordes. (Unidimensionnelle indique qu'une chaîne n'a qu'une dimension, longueur, par opposition à-dire un carré, ce qui a des dimensions de longueur et de hauteur.)

Ces chaînes sont venus sous deux formes - chaînes et cordes ouvertes fermées. Une chaîne ouverte a des extrémités qui ne se touchent pas les uns les autres, tout en une chaîne fermée est une boucle sans fin ouverte. Il a finalement été constaté que ces premières cordes, dite de type I, les chaînes pourraient passer par cinq types de base des interactions, comme le montre cette figure.

Cordes de type I peuvent passer par cinq interactions fondamentales, sur la base de différentes façons de rejoindre et
Chaînes de type I peuvent passer par cinq interactions fondamentales, sur la base de différentes façons de lier et diviser.

Les interactions sont basées sur la capacité d'une chaîne à avoir des extrémités se rejoignent et se diviser. Parce que les extrémités des cordes ouvertes peuvent se regrouper pour former des chaînes fermées, vous ne pouvez pas construire une théorie des cordes, sans cordes fermées.

Cette avéré important, parce que les cordes fermées ont des propriétés qui rendent les physiciens croient qu'ils pourraient décrire la gravité. Au lieu d'être simplement une théorie des particules de matière, les physiciens ont commencé à réaliser que la théorie des cordes peut juste être en mesure d'expliquer la gravité et le comportement des particules.

Au fil des ans, on a découvert que la théorie nécessaire que des objets autres chaînes. Ces objets peuvent être considérés comme des feuilles, ou branes. Les chaînes peuvent joindre à l'une ou aux deux extrémités de ces membranes. A Brane 2 dimensions (appelé 2-Brane) est représenté sur cette figure.

Dans la théorie des cordes, des cordes se fixent aux membranes.
Dans la théorie des cordes, des cordes se fixent aux membranes.

La gravité quantique

La physique moderne a deux lois scientifiques de base: la physique quantique et la relativité générale. Ces deux lois scientifiques représentent radicalement différents domaines d'études. La physique quantique étudie les très petits objets dans la nature, tout en relativité tend à étudier la nature sur l'échelle des planètes, des galaxies et de l'univers dans son ensemble. (Évidemment, la gravité affecte trop petites particules, et représente la relativité pour cela aussi.) Théories qui tentent d'unifier les deux théories sont les théories de la gravité quantique, et la plus prometteuse de toutes ces théories est aujourd'hui la théorie des cordes.

Unification des forces

Main dans la main avec la question de la gravité quantique, la théorie des cordes tente d'unifier les quatre forces dans l'univers - la force électromagnétique, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible, et de gravité - en une seule théorie unifiée. Dans notre univers, ces forces fondamentales apparaissent comme quatre phénomènes différents, mais les théoriciens des cordes croient que dans l'univers primitif (quand il y avait incroyablement niveaux élevés de l'énergie), ces forces sont tous décrits par des chaînes en interaction les uns avec les autres.

Supersymétrie

Toutes les particules de l'univers peuvent être divisés en deux types: les bosons et les fermions. La théorie des cordes prédit qu'un type de connexion, appelé supersymétrie, qui existe entre ces deux types de particules. Sous la supersymétrie, un fermion doit exister pour chaque boson et vice versa. Malheureusement, les expériences ne sont pas encore détecté ces particules supplémentaires.

La supersymétrie est une relation mathématique spécifique entre certains éléments de équations de la physique. Il a été découvert à l'extérieur de la théorie des cordes, bien que son incorporation dans la théorie des cordes a transformé la théorie à la théorie des cordes supersymétrique (ou la théorie des supercordes) dans les milieu des années 1970.

Supersymétrie simplifie énormément les équations de la théorie des cordes en permettant certains termes pour annuler. Sans supersymétrie, les équations entraîner des incohérences physiques, tels que les valeurs infinies et les niveaux d'énergie imaginaires.


Parce que les scientifiques ont pas respecté les particules prédites par la supersymétrie, cela est encore une hypothèse théorique. Beaucoup de physiciens croient que la raison ne l'a observé des particules est parce qu'il faut beaucoup d'énergie pour les générer. (L'énergie est liée à la masse par Einstein célèbre E = mc2 équation, il faut de l'énergie pour créer une particule.) Ils peuvent avoir existé dans l'univers primitif, mais comme l'univers refroidi et de l'énergie étalé après le big bang, ces particules se serait effondré dans les états de plus basse énergie que nous observer aujourd'hui. (Nous ne peut pas penser de notre univers actuel comme particulièrement faible consommation d'énergie, mais par rapport à la chaleur intense des premiers instants après le Big Bang, il est certainement.)

Les scientifiques espèrent que les observations astronomiques ou des expériences avec des accélérateurs de particules vont découvrir certaines de ces particules supersymétriques plus haute énergie, fournissant un soutien pour cette prédiction de la théorie des cordes.

Dimensions supplémentaires

Un autre résultat mathématique de la théorie des cordes est que la théorie n'a de sens que dans un monde avec plus de trois dimensions de l'espace! (Notre univers a trois dimensions de l'espace - gauche / droite, haut / bas, et avant / arrière). Deux explications possibles existent actuellement pour l'emplacement des dimensions supplémentaires:

  • Les dimensions spatiales supplémentaires (généralement de six d'entre eux) sont recroquevillés (compacifié, dans la chaîne terminologie de la théorie) d'incroyablement petites tailles, de sorte que nous ne les percevons.

  • Nous sommes coincés sur un Brane 3 dimensions, et les dimensions supplémentaires étendons hors de lui et sont inaccessibles pour nous.

Un domaine de recherche important parmi les théoriciens des cordes est sur des modèles mathématiques de la façon dont ces dimensions supplémentaires pourraient être liés à la nôtre. Certains de ces résultats récents ont prédit que les scientifiques pourraient bientôt être en mesure de détecter ces dimensions supplémentaires (si elles existent) dans les expériences à venir, parce qu'ils peuvent être plus grands que prévu.


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