Введение

Гипотетическая физическая сущность – квантовые струны, фундаментальные степени свободы в теории струн. В физике струна – это физическая сущность, постулируемая в теории струн и связанных с ней областях. В отличие от элементарных частиц, которые по определению являются нулевыми или точечными, струны представляют собой одномерные протяженные объекты. Исследователи часто проявляют интерес к теориям струн, поскольку теории, в которых фундаментальными сущностями являются струны, а не точечные частицы, автоматически обладают многими свойствами, которые некоторые физики ожидают увидеть в фундаментальной теории физики. В частности, теория струн, эволюционирующих и взаимодействующих в соответствии с правилами квантовой механики, автоматически описывает квантовую гравитацию.

Обзор

В теории струн струны могут быть открытыми (образуя сегмент с двумя конечными точками) или замкнутыми (образуя петлю, подобную окружности) и могут обладать другими специальными свойствами. До 1995 года было известно пять версий теории струн, включающих идею суперсимметрии (эти пять известны как теории суперструн), и две версии без суперсимметрии, известные как теории бозонных струн, которые различались типом струн и другими аспектами. Сегодня считается, что эти различные теории суперструн возникают как различные предельные случаи единой теории, называемой М-теорией. В теориях струн, используемых в физике частиц, струны чрезвычайно малы; намного меньше, чем можно наблюдать в современных ускорителях частиц. Характерный масштаб длины струн обычно составляет порядок длины Планка, около 10−35 метра – масштаб, при котором, как полагают, начинают проявляться эффекты квантовой гравитации. Следовательно, на гораздо больших масштабах длины, таких как те, что наблюдаются в физических лабораториях, эти объекты будут казаться точечными частицами нулевого размера. Струны способны колебаться как гармонические осцилляторы, и различные колебательные состояния одной и той же струны интерпретируются как различные типы частиц. В теориях струн струны, колеблющиеся с разными частотами, составляют множество фундаментальных частиц, обнаруженных в современной Стандартной модели физики частиц. Струнные взаимодействия также иногда изучаются в ядерной физике, где они используются для моделирования флюкстубов. При распространении струны в пространстве-времени она описывает двумерную поверхность, называемую мировой поверхностью. Это аналогично одномерной мировой линии, описываемой точечной частицей. Физика струны описывается с помощью двухмерной конформной теории поля, связанной с мировой поверхностью. Формализм двухмерной конформной теории поля также имеет множество применений за пределами теории струн, например, в физике конденсированного состояния и в некоторых разделах чистой математики.

Закрытые и открытые струны

Струны могут быть открытыми или замкнутыми. Замкнутая струна – это струна, не имеющая конечных точек и, следовательно, топологически эквивалентная окружности. Открытая струна, напротив, имеет две конечные точки и топологически эквивалентна отрезку прямой. Не все теории струн содержат открытые струны, но каждая теория должна содержать замкнутые струны, поскольку взаимодействия между открытыми струнами всегда могут приводить к образованию замкнутых струн. Старейшая теория суперструн, содержащая открытые струны, – это теория струн I типа. Однако развитие теории струн в 1990-х годах показало, что открытые струны следует рассматривать как заканчивающиеся на новой физической степени свободы, называемой D-бранами, и спектр возможностей для открытых струн значительно расширился. Открытые и замкнутые струны обычно связаны с характерными колебательными модами. Одна из колебательных мод замкнутой струны может быть отождествлена с гравитоном. В некоторых теориях струн колебание с наименьшей энергией открытой струны является тахионом и может подвергаться тахионной конденсации. Другие колебательные моды открытых струн проявляют свойства фотонов и глюонов.

Ориентация

Струны также могут обладать ориентацией, которую можно представить как внутренний "вектор", отличающий струну от струны с противоположной ориентацией. В отличие от этого, неориентированная струна – это струна, не имеющая такого вектора.