La théorie des cordes

La théorie des cordes
La théorie des supercordes
Théorie La théorie des cordes La théorie des supercordes Théorie des cordes bosoniques M-théorie ( simplifié ) chaîne de type I chaîne de type II F-théorie Cordes hétérotiques Théorie de champs de cordes
Concepts Instruments à cordes Branes D-branes Calabi-Yau Principe holographique T-dualité S-dualité Kac-Moody algèbre E groupe 8 de Lie
Rubriques connexes La théorie conforme des champs Supersymétrie Supergravité La gravité quantique
Les scientifiques Duff Vert Greene Brut Kaku Maldacena Mandelstam Polchinski Polyakov Ramond Scherk Schwarz Sen Susskind Townsend Vafa Veneziano Witten
Glossaire Glossaire de la théorie des cordes

Interaction dans le monde subatomique: lignes mondiales de point comme particules dans le modèle standard ou d'un feuille de monde balayé par fermé cordes dans la théorie des cordes

La théorie des cordes est une approche mathématique incomplète physique théorique, dont le bâtiment blocs sont des objets étendus unidimensionnels appelés cordes, plutôt que le zéro-dimensionnel particules ponctuelles qui forment la base pour le modèle standard de la physique des particules . En remplaçant les particules ponctuelles avec des cordes, une apparence cohérente la théorie quantique de la gravitation émerge, qui n'a pas été réalisable dans la théorie quantique des champs . Habituellement, la théorie des cordes terme comprend un groupe d'associés théories des supercordes et quelques cadres connexes tels que la théorie-M , qui cherche à les réunir toutes.

Les théoriciens des cordes ne ont pas encore complètement décrit ces théories, ou déterminé si ou comment ces théories se rapportent à l'univers physique. L'élégance et la souplesse de l'approche, cependant, et un certain nombre de similitudes qualitatives avec plus de modèles physiques traditionnels, ont conduit de nombreux physiciens de soupçonner qu'une telle connexion soit possible. En particulier, la théorie des cordes peut être un moyen de "unifier" le connu forces naturelles ( gravitationnelles , électromagnétiques , faible nucléaire et fort nucléaire) en les décrivant avec le même ensemble d'équations, comme décrit dans le théorie du tout. D'autre part, les modèles ont été critiqués pour leur incapacité, à ce jour, de fournir des prédictions testables expérimentalement.

Les travaux sur la théorie des cordes est rendue difficile par les mathématiques très complexes impliqués, et le grand nombre de formes que les théories peuvent prendre en fonction de l'aménagement de l'espace et de l'énergie. Jusqu'à présent, la théorie des cordes suggère fortement l'existence de dix ou onze (en M-théorie ) dimensions d'espace-temps, par opposition à l'habitude quatre (trois spatiale et une temporelle ) utilisé dans la théorie de la relativité ; cependant, la théorie peut décrire avec quatre univers efficace (observable) dimensions d'espace-temps par une variété de méthodes. Les théories semblent également décrire objets de dimensions supérieures que cordes, appelés branes. Certains types de la théorie des cordes ont également été montré pour être équivalent à certains types de plus traditionnel théorie de jauge, et il est à espérer que la recherche dans cette direction conduira à de nouvelles perspectives sur chromodynamique quantique, la théorie fondamentale de la force nucléaire forte.

Vue d'ensemble

L'idée derrière toutes les théories des cordes est que chaque élémentaire "particule" est en fait un chaîne d'une très petite échelle (éventuellement de l'ordre de la Planck longueur) qui vibre au résonnant des fréquences spécifiques à ce type de particules. Ainsi, toute particule élémentaire devrait être considéré comme un objet vibrant petit, plutôt que comme un point. Cet objet peut vibrer dans différents modes (comme une corde de guitare peut produire différentes notes), avec tous les modes apparaissant comme un autre particules ( électrons , photons , etc.). Les chaînes peuvent diviser et de combiner, qui apparaîtrait comme émettant des particules et en absorbant d'autres particules, donnant vraisemblablement lieu à la connue interactions entre particules.

Les niveaux de grossissement: niveau macroscopique, niveau moléculaire, niveau atomique, niveau subatomique, le niveau de chaîne.

En plus de chaînes, cette théorie comprend également des objets de dimensions supérieures, telles que D-branes et NS-branes. En outre, toutes les théories des cordes prédisent l'existence de degrés de liberté qui sont généralement décrits comme des dimensions supplémentaires . La théorie des cordes est pensé pour inclure des 10, 11 ou 26 dimensions, selon la théorie spécifique et sur le point de vue.

L'intérêt pour la théorie des cordes est entraînée en grande partie par l'espoir qu'il se révélera être une théorie cohérente de la gravité quantique ou même un théorie du tout. Il peut aussi décrire naturellement interactions similaires à l'électromagnétisme et les autres forces de la nature. théories des supercordes comprennent fermions, les blocs de construction de la matière , et incorporer supersymétrie, une conjecture (mais non observée) symétrie de la nature. Il ne sait pas encore si la théorie des cordes sera en mesure de décrire un univers à la collecte précise des forces et des particules qui est observée, ni combien de liberté la théorie permet de choisir ces détails.

La théorie des cordes dans son ensemble n'a pas encore fait prédictions falsifiables qui lui permettraient d'être testée expérimentalement, si diverses observations et expériences prévues pu confirmer certains aspects essentiels de la théorie, comme la supersymétrie et les dimensions supplémentaires. En outre, la théorie exacte ne est pas encore compris. Par exemple, la théorie ne est pas encore une définition satisfaisante de l'extérieur la théorie des perturbations; les mécanique quantique de branes (objets tridimensionnels plus élevés que les chaînes) ne est pas compris; le comportement de la théorie des cordes dans les paramètres cosmologiques (milieux en fonction du temps) est toujours en cours d'élaboration; enfin, le principe selon lequel la théorie des cordes choisit son état de vide est un sujet très contesté (voir la théorie des cordes paysage).

La théorie des cordes est pensé pour être une certaine limite d'un autre, la théorie plus fondamentale - la théorie-M - qui ne est que partiellement défini et ne est pas bien comprise.

Propriétés de base

La théorie des cordes est formulé en termes de principe d'action, soit la L'action Nambu-Goto ou L'action Polyakov, qui décrit comment les chaînes se déplacent à travers l'espace et le temps. Comme des ressorts avec aucune force externe appliquée, les chaînes ont tendance à rétrécir, minimisant ainsi leur énergie potentielle, mais conservation de l'énergie les empêche de disparaître, et à la place ils oscillent. En appliquant les idées de la mécanique quantique en chaînes de caractères, il est possible de déduire les différents modes de vibration de cordes, et que chaque état vibratoire qui semble être une particule différente. La masse de chaque particule, et la mode avec lequel il peut interagir, sont déterminées par la façon dont la corde vibre - la chaîne peut vibrer dans de nombreux modes différents, comme une corde de guitare peut produire différentes notes. Les différents modes, chacun correspondant à un type différent de particules, constituent la " spectre "de la théorie.

Les chaînes peuvent diviser et de combiner, qui apparaîtrait comme émettant des particules et en absorbant d'autres particules, donnant sans doute lieu à des interactions connues entre les particules.

La théorie des cordes comprend deux cordes ouvertes, qui ont deux extrémités distinctes, et les chaînes fermées, où les points d'extrémité sont joints pour faire une boucle complète. Les deux types de ficelle se comportent de façons légèrement différentes, ce qui donne deux spectres différents. Par exemple, dans la plupart des théories des cordes, l'un des modes de cordes fermées est le graviton, et l'un des modes de chaîne ouverts est le photon . Parce que les deux extrémités d'une corde à vide peuvent toujours rencontrer et communiquer, formant une chaîne fermée, il n'y a pas de théories des cordes sans cordes fermées.

Le modèle de chaîne plus anciens - corde bosonique, qui incorporait seulement bosons, décrit - dans les énergies assez faible - un quantum gravité théorie, qui comprend également (si les cordes ouvertes sont incorporés ainsi) mesurer des domaines tels que le photon (ou, plus généralement, toute théorie de jauge). Cependant, ce modèle a des problèmes. Plus important encore, la théorie a une instabilité fondamentale, cru aboutir à la désintégration (au moins partiellement) de l'espace-temps lui-même. En outre, comme son nom l'indique, le spectre de particules ne contient que des bosons, particules qui, comme le photon, obéissent à des règles particulières de comportement. Grosso modo, les bosons sont les constituants de rayonnement, mais pas de la matière, qui est faite de fermions. Étudier comment une théorie des cordes peut comprendre fermions dans son spectre ont conduit à l'invention de supersymétrie, une relation mathématique entre les bosons et les fermions. Les théories des cordes qui comprennent vibrations fermioniques sont maintenant connus comme théories des supercordes; plusieurs types différents ont été décrits, mais tous sont maintenant pensé pour être différentes limites de la théorie-M .

Tout en comprenant les détails de cordes et supercordes théories nécessite sophistication mathématique considérable, certaines propriétés qualitatives des chaînes quantiques peuvent être comprises d'une manière assez intuitive. Par exemple, les chaînes quantiques ont tension, un peu comme les chaînes régulières faites de ficelle; cette tension est considéré comme un paramètre fondamental de la théorie. La tension d'une corde quantique est étroitement liée à sa taille. Considérons une boucle fermée de ficelle, de gauche à se déplacer dans l'espace sans forces extérieures. Sa tension a tendance à se contracter dans une boucle plus en plus petits. Intuition classique suggère qu'il pourrait réduire à un seul point, mais cela violerait Heisenberg principe d'incertitude. La taille caractéristique de la boucle de chaîne sera un équilibre entre la force de traction, agissant pour le rendre petite, et l'effet de l'incertitude, qui le maintient "étiré". Par conséquent, la taille minimale d'une chaîne de caractères est liée à la tension de la chaîne.

Surface d'univers

La motion de Un point-particule peut être décrit par dessiner un graphe de sa position (en une ou deux dimensions de l'espace) contre le temps. L'image résultante représente la Worldline de la particule (son «histoire») dans l'espace-temps. Par analogie, un graphique similaire montrant la progression d'une chaîne comme le temps passe peuvent être obtenus; la chaîne (un objet unidimensionnel - une petite ligne - par lui-même) se tracer une surface (un à deux dimensions collecteur ), connu sous le nom Surface d'univers. Les différents modes de corde (représentant différentes particules, telles que photons ou graviton) sont des ondes de surface sur ce collecteur.

Un chaîne fermée ressemble à une petite boucle, de sorte que son Surface d'univers ressemble à un tuyau, ou - plus généralement - comme une surface de Riemann (un à deux dimensions variété orientée) sans limites (ce est à dire pas de bord). Une chaîne ouverte ressemble à une ligne courte, de sorte que son Surface d'univers va ressembler une bande, ou - plus généralement - comme une surface de Riemann avec une limite.

Les chaînes peuvent partager et se connecter. Cela se traduit par la forme de leur Surface d'univers (avec plus de précision, de par sa topologie ). Par exemple, si un grand écart à cordes fermées, sa Surface d'univers ressemblera un seul fractionnement du tuyau (ou connecté) de deux tuyaux (souvent désigné comme une paire de pantalons - voir dessin en haut de cette page). Si un grand écart à cordes fermées et ses deux parties se reconnecter plus tard, sa Surface d'univers ressemble à un seul tuyau fractionnement à deux et puis de rebrancher, qui ressemble aussi à un tore relié à deux tuyaux (l'un représentant la chaîne entrante, et l'autre - sortant une). Une chaîne ouverte faisant la même chose aura sa Surface d'univers ressemblant à un anneau relié à deux bandes.

Notez que le processus d'un fractionnement de chaîne (ou chaînes de connexion) est un processus global de la Surface d'univers, pas une locale une: localement, le Surface d'univers a la même partout et il ne est pas possible de déterminer un seul point sur la Surface d'univers où la scission se produit. Par conséquent, ces procédés font partie intégrante de la théorie, et sont décrits par la même dynamique qui contrôle les modes de chaîne.

Dans certains théories des cordes (à savoir, les chaînes fermé dans Certaines versions de type I et bosonique chaîne), les chaînes peuvent diviser et rebranchez dans une orientation opposée (comme dans un Ruban de Möbius ou d'une bouteille de Klein ). Ces théories sont appelés non orienté. Formellement, le Surface d'univers dans ces théories est un surface non-orientable.

Dualités

Avant les années 1990, les théoriciens des cordes croyaient qu'il y avait cinq théories des supercordes distinctes: type I, types IIA et IIB, et les deux théories des cordes (hétérotique SO (32) et E ₈ × E _8). L'idée était que, sur ces cinq théories candidats, un seul était la réelle correcte théorie du tout, et que la théorie était celui dont la limite basse énergie, avec dix dimensions de l'espace-temps compactifiées jusqu'à quatre, assorti de la physique observés dans notre monde d'aujourd'hui. On sait maintenant que cette image était naïf, et que les cinq théories des supercordes sont connectés les uns aux autres comme se ils sont chacun un cas particulier d'une théorie plus fondamentale (considérée comme la théorie-M ). Ces théories sont liées par des transformations qui sont appelés dualités. Si deux théories sont liés par une transformation de la dualité, cela signifie que la première théorie peut être transformé en quelque sorte à ce qu'il finit par regarder tout comme la seconde théorie. Les deux théories sont alors dites à double un à l'autre en vertu de ce genre de transformation. Autrement dit, les deux théories sont mathématiquement différentes descriptions des mêmes phénomènes.

Ces dualités lien quantités qui ont été aussi pensé pour être séparé. Échelles de distance, grandes et petites, ainsi que les forces de couplage forts et faibles, sont des quantités qui ont toujours marqué des limites très distinctes de comportement d'un système physique à la fois classique la théorie du champ quantique et la physique des particules . Mais les chaînes peuvent obscurcir la différence entre petits et grands, forts et faibles, et ce est la façon dont ces cinq théories très différentes finissent par être liés. T-dualité concerne les échelles petites et grandes distances entre les théories des cordes, tandis que S-dualité concerne forces de couplage forts et faibles entre les théories des cordes. U-dualité relie T-dualité et S-dualité.

Avant la «révolution de la dualité", on estimait à cinq versions distinctes de la théorie des cordes, ainsi que les théories et bosoniques gluoniques (instables).

Notez que dans l'AII de type et le type IIB théories des cordes fermées chaînes sont autorisés à se déplacer partout à travers l'espace-temps à dix dimensions (appelé le vrac), tandis que les cordes ouvertes ont leurs extrémités fixée à D-branes, qui sont des membranes de dimension inférieure (leur dimension est impair - 1,3,5,7 ou 9 - dans le type IIA et même - 0,2,4,6 ou 8 - dans le type IIB, y compris la direction de temps ).

Dimensions supplémentaires

Nombre de dimensions

Une caractéristique intéressante de la théorie des cordes est qu'elle implique la prédiction des dimensions supplémentaires. Le nombre de dimensions ne est pas fixé par un critère de cohérence, mais solutions d'espace-temps plat ne existent dans la soi-disant «dimension critique." Solutions cosmologiques existent dans une grande variété de dimensionnalités, et ces différentes dimensions-plus précisément différentes valeurs de la "charge centrale efficace," un nombre de degrés de liberté qui se réduit à dimensionnalité dans faiblement régimes sont-courbes reliées par des transitions dynamiques.

Rien dans Maxwell »de la théorie de l'électromagnétisme ou Einstein 's théorie de la relativité rend ce type de prédiction; ces théories exigent physiciens pour insérer le nombre de dimensions "à la main", et ce nombre est fixe et indépendante de l'énergie potentielle. La théorie des cordes permet de relier le nombre de dimensions à scalaires énergie potentielle. Techniquement, cela se produit parce qu'un jauge existe anomalie pour chaque numéro distinct de dimensions prédites, et l'anomalie de jauge peut être contrecarrée en incluant l'énergie potentielle non négligeable dans les équations à résoudre mouvement. En outre, l'absence d'énergie potentielle dans la "dimension critique», explique pourquoi les solutions de l'espace-temps plat sont possibles.

Ceci peut être mieux comprise en notant qu'un photon inclus dans une théorie cohérente (techniquement, une particule portant une force liée à une ininterrompue évaluer symétrie) doit être sans masse. La masse du photon qui est prédite par la théorie des cordes dépend de l'énergie du mode chaîne qui représente le photon. Cette énergie comprend une contribution de l' effet Casimir , à savoir des fluctuations quantiques de la chaîne. La taille de cette contribution dépend du nombre de dimensions depuis un plus grand nombre de dimensions, il ya des fluctuations plus possibles dans la position de la chaîne. Par conséquent, le photon dans l'espace-temps plat sera sans masse et la théorie conforme-seulement pour un nombre particulier de dimensions.

Lorsque le calcul est fait, la dimension critique ne est pas quatre comme on peut se attendre (trois axes de l'espace et une de temps). Espace plat théories des cordes sont 26 dimensions dans le cas de bosons, tandis que des supercordes et M-théories se avèrent impliquer 10 ou 11 dimensions pour des solutions plates. Dans la théorie des cordes bosoniques, les 26 dimensions proviennent de l'équation Polyakov. A partir de ne importe quelle dimension supérieur à quatre, il est nécessaire d'examiner comment ceux-ci sont réduits à quatre dimensions l'espace-temps.

Calabi-Yau ( Projection 3D)

Dimensions compactes

Deux manières différentes ont été proposées pour résoudre cette contradiction apparente. La première consiste à compactify les dimensions supplémentaires; ce est à dire, les six ou sept dimensions supplémentaires sont si petits pour être indétectable dans notre expérience phénoménale. Afin de conserver les propriétés supersymétriques de la théorie des cordes, ces espaces doivent être très spécial. La résolution du modèle six dimensions est obtenue avec Espaces de Calabi-Yau. En sept dimensions, ils sont appelés G ₂ collecteurs. Ces dimensions supplémentaires sont compacifiée en les faisant boucle sur eux-mêmes.

Une analogie standard pour ce est de considérer l'espace multidimensionnel comme un tuyau d'arrosage. Si le tuyau est vu à partir d'une distance suffisante, il semble avoir une seule dimension, de sa longueur. En effet, penser à une balle juste assez petit pour entrer dans le tuyau. Lancer un tel ballon à l'intérieur du tuyau, la balle serait déplacer plus ou moins dans une dimension; dans ne importe quelle expérience on fait en jetant les boules dans le tuyau, le seul mouvement important sera unidimensionnelle, ce est le long du tuyau. Toutefois, comme on se approche du tuyau, on découvre qu'il contient une seconde dimension, de sa circonférence. Ainsi, une fourmi ramper à l'intérieur il se déplacer dans deux dimensions (et une mouche voler dans ce serait déplacer en trois dimensions). Cette «dimension supplémentaire" ne est visible que dans une fourchette relativement étroite au tuyau, ou si une "lancers francs dans les« petits objets assez. De même, les dimensions compactes d'appoint ne sont "visibles" à très petites distances, ou en expérimentant avec des particules de très petite longueurs d'onde (de l'ordre du rayon de la dimension compacte), qui, dans la mécanique quantique signifie très hautes énergies (voir la dualité onde-particule ).

Scénario Brane-monde

Une autre possibilité est que nous sommes «coincés» dans un 3 + 1 dimensions (ce est à dire trois dimensions spatiales ainsi que la dimension temporelle) sous-espace de l'univers complet. Cette sous-espace est censé être un D-branes, donc ce est connu comme un braneworld théorie. Beaucoup de gens croient qu'une combinaison des deux idées - compactification et branes - finira par céder la théorie la plus réaliste.

Effet des dimensions cachées

Dans les deux cas, la gravité agissant dans les dimensions cachées affecte d'autres forces non-gravitationnelles telles que l'électromagnétisme. En fait, Kaluza et les premiers travaux de Klein ont démontré que la relativité générale avec quatre grandes dimensions et une petite dimension prévoit effectivement l'existence de l'électromagnétisme. Toutefois, en raison de la nature de Variétés de Calabi-Yau, pas de nouvelles forces apparaissent des petites dimensions, mais leur forme a un effet profond sur la façon dont les forces entre les chaînes apparaissent dans notre univers à quatre dimensions. En principe, donc, il est possible d'en déduire la nature de ces dimensions supplémentaires en exigeant la cohérence avec le modèle standard , mais ce ne est pas encore une possibilité pratique. Il est également possible d'extraire des informations sur les dimensions cachées par des tests de précision de la gravité, mais jusqu'ici elles ne ont fait que mettre des limites supérieures de la taille de ces dimensions cachées

D-branes

Un autre élément clé de la théorie des cordes est l'existence de D-branes. Ce sont des membranes de dimension différente (ne importe où à partir d'une membrane zéro dimensions - qui est en fait un point - et plus, y compris les membranes deux dimensions, volumes en 3 dimensions et ainsi de suite).

D-branes sont définis par le fait que Surface d'univers frontières sont attachés à eux. Ainsi D-branes peuvent émettre et absorber les cordes fermées; par conséquent, ils ont une masse (car ils émettent gravitons) et - dans théories des supercordes - chargent ainsi (car ils émettent cordes fermées qui sont bosons de jauge).

Du point de vue de cordes ouvertes, D-branes sont des objets dont les extrémités des cordes ouvertes sont attachés. Les cordes ouvertes attachés à un D-branes sont dits «en direct» sur elle, et ils donnent lieu à évaluer théories "vivant" sur elle (puisque l'un des modes de cordes ouvertes est une Higgs tel que le photon manométrique). Dans le cas d'un poste D-branes, il y aura un type d'un boson de jauge et nous aurons une Théorie de jauge abélienne (avec le boson de jauge étant le photon ). Se il ya plusieurs D-branes parallèles, il y aura plusieurs types de bosons de jauge, donnant lieu à un théorie de jauge non abélien.

D-branes sont donc sources gravitationnelles, sur laquelle une théorie de jauge "vit". Cette théorie de jauge est couplé à la gravité (qui est censé exister dans la masse), de sorte que, normalement, chacun de ces deux points de vue différents sont incomplètes.

Évaluer les bosons et les D-branes

La théorie des cordes stipule qu'un Boson de jauge peut avoir chacune des extrémités de sa chaîne sur membranes séparées. La masse de la chaîne (Boson de jauge) est proportionnelle à la séparation des deux branes. Pour chaque Longueur de Planck que la chaîne est tendue, environ un Plank unité de masse est acquise. Il a été théorisée par AJB que la chaîne pourrait éventuellement devenir suffisamment massive pour devenir un trou noir , qui pourrait être une autre possibilité pour la formation du trou noir. Pour ce faire, la chaîne devrait devenir compacté dans une 'chaîne ballon sorte que la masse pourrait devenir assez concentré pour former un trou noir. Si ces trous noirs ont été détectés, ils pourraient fournir des preuves de la théorie des cordes. Ils seraient tous à peu près la même masse (qui contiennent des informations sur la séparation des membranes), et ils ne seraient pas nécessairement dans les galaxies. Ce sont des pensées très intéressants et ils ouvrent de nombreuses possibilités.

Gauge-gravité dualité

Gauge-gravité dualité est une dualité conjecture entre une théorie quantique de la gravitation dans certains cas et théorie de jauge en un nombre inférieur de dimensions. Cela signifie que chaque phénomène prévu et la quantité dans une théorie a un analogue dans l'autre théorie, avec un "dictionnaire" traduire d'une théorie à l'autre.

Description de la dualité

Dans certains cas, la théorie de jauge sur les D-branes est découplé de la gravité vivant dans la masse; chaînes ainsi ouverts attachés aux D-branes ne sont pas interagir avec des chaînes fermées. Une telle situation est appelée une limite découplage.

Dans ces cas, les D-branes ont deux autres descriptions indépendants. Comme indiqué plus haut, du point de vue de chaînes fermées, les D-branes sont sources gravitationnelles, et donc nous avons une théorie de la gravitation sur l'espace-temps avec quelques champs de fond. Du point de vue de cordes ouvertes, la physique du D-branes est décrite par la théorie de jauge appropriée. Par conséquent, dans ces cas, il est souvent conjecturé que la théorie de la gravitation sur l'espace-temps avec les champs de fond appropriées est double (ce est à dire physiquement équivalent) à la théorie de jauge sur la limite de cette espace-temps (depuis le sous-espace rempli par les D-branes est la limite de cette espace-temps). Jusqu'à présent, cette dualité n'a pas été prouvé dans tous les cas, il ne ya donc aussi un désaccord entre les théoriciens des cordes sur la façon forte la dualité se applique à différents modèles.

Exemples et intuition

L'exemple le plus connu et le premier à être étudié est la dualité entre le type IIB supergravité annonces ⁵ S ⁵ (un espace produit d'un à cinq dimensions Espace Anti de Sitter et un cinq-sphère) d'une part, et N = 4 supersymétrique Théorie de Yang-Mills sur la limite à quatre dimensions de l'espace Anti de Sitter (soit un appartement à quatre dimensions d'espace-temps R ^3,1 ou trois sphère avec le temps S ³ R). Ceci est connu comme la AdS / CFT correspondance, un nom souvent utilisé pour Gauge / gravité dualité en général.

Cette dualité peut être considéré comme suit: supposons qu'il y ait un espace-temps avec une source gravitationnelle, par exemple un extremal trou noir. Lorsque les particules sont loin de cette source, ils sont décrits par des cordes fermées (ce est à dire une théorie de la gravitation, ou habituellement supergravité). Lorsque les particules se rapprochent de la source gravitationnelle, ils peuvent encore être décrits par des chaînes fermées; en variante, ils peuvent être décrits par des objets semblables à CDQ cordes, qui sont faites de bosons de jauge ( gluons) et autres évaluer les degrés de liberté de la théorie. Donc, si on est en mesure (dans une limite de découplage) pour décrire le système de gravitation comme deux régions distinctes - une (l'vrac) loin de la source, et l'autre près de la source - alors la dernière région peut également être décrit par un théorie de jauge sur D-branes. Cette dernière région (près de la source) est appelé la limite proche horizon, car, généralement, il ya une événement horizon autour (ou à) la source gravitationnelle.

Dans la théorie de gravitation, l'une des directions de l'espace-temps est la direction radiale, allant de la source de gravitation et à l'écart (à la masse). La théorie de jauge ne vit que sur le D-branes lui-même, de sorte qu'il ne comprend pas le sens radial: elle vit dans un espace-temps avec une dimension inférieure par rapport à la théorie de la gravitation (en fait, il vit sur un espace-temps identique à la limite de la près de l'horizon de la théorie gravitationnelle). Entendons-nous comment les deux théories sont encore équivalentes:

La physique de la quasi-horizon théorie de la gravitation ne implique Etats sur-coque (comme d'habitude dans la théorie des cordes), tandis que le la théorie du champ comprend également hors-shell la fonction de corrélation. Les états sur-shell dans la théorie de la gravitation près de l'horizon peuvent être considérés comme décrivant seulement des particules en provenance de la majeure partie de la région proche de l'horizon et d'interagir entre eux il. Dans la théorie de jauge ceux-ci sont "projetée" sur la frontière, de sorte que les particules qui arrivent à la source de différentes directions seront vus dans la théorie de jauge (hors-shell) fluctuations éloignés les uns des autres quantique, tandis que les particules arrivant au la source de presque le même sens dans l'espace sera vu dans la théorie de jauge (hors-shell) quantiques fluctuations à proximité de l'autre. Ainsi, l'angle entre les particules arrivant dans la théorie de la gravitation se traduit à l'échelle de distance entre les fluctuations quantiques de la théorie de jauge. L'angle entre les particules qui arrivent dans la théorie de la gravitation est liée à la distance radiale à partir de la source de gravitation à laquelle les particules interagissent: plus l'angle, plus les particules ont pour accéder à la source de manière à interagir les uns avec les autres. D'autre part, l'échelle de la distance entre les fluctuations quantiques dans une théorie quantique des champs est lié (inversement) à l'échelle de l'énergie dans cette théorie. Si petit rayon dans la théorie de la gravitation se traduit à l'échelle de faible énergie dans la théorie de jauge (à savoir le régime de l'IR théorie des champs) tandis grand rayon dans la théorie de gravitation se traduit à l'échelle d'énergie élevée dans le théorie de jauge (à savoir le régime d'UV de la théorie du champ).

Un exemple simple de ce principe est que si dans la théorie de la gravitation, il est une installation dans laquelle le dilaton champ (qui détermine la force de la accouplement) diminue avec le rayon, alors sa théorie double champ sera asymptotiquement libre, ce est à dire son couplage va croître plus faible dans les hautes énergies.

Contact avec expérience

Cette branche de la théorie des cordes peut conduire à de nouvelles perspectives sur chromodynamique quantique, une théorie de jauge qui est la théorie fondamentale de la force nucléaire forte. À cette fin, il est à espérer qu'une théorie de la gravitation de la chromodynamique quantique double sera trouvée.

En fait, un contact vague avec l'expérience a déjà été affirmé avoir être atteint si actuellement l'alternative, Lattice QCD, fait un bien meilleur travail et a déjà pris contact avec des expériences à différents domaines avec de bons résultats, même si les calculs sont numérique plutôt que analytique.

Problèmes et controverses

Bien qu'historiquement la théorie des cordes est une excroissance de la physique, certains soutiennent que la théorie des cordes devrait (à proprement parler) être classés comme autre chose que de la science. Pour une théorie scientifique soit valable, il doit être corroborée empiriquement , ce est à dire par le biais expérience ou observation. Quelques pistes pour un tel contact avec l'expérience ont été revendiqués. Avec la construction de la Grand collisionneur de hadrons en CERN certains scientifiques espèrent produire des données pertinentes, mais il est largement admis que toute théorie du la gravité quantique exigerait énergies beaucoup plus élevées pour sonder directement. En outre, la théorie des cordes comme il est actuellement compris a un grand nombre de solutions également possibles. Ainsi, il a été affirmé par certains scientifiques que la théorie des cordes peut ne pas être falsifiable et peuvent ne pas avoir pouvoir prédictif.

La théorie des cordes reste à confirmer. Aucune version de la théorie des cordes a encore fait une prédiction vérifiée expérimentalement qui diffère de celles faites par d'autres théories. Les échelles d'énergie au cours de laquelle il serait possible de voir la nature filandreuse de particules est beaucoup plus grande que celle accessible expérimentalement. Il possède de nombreuses caractéristiques d'intérêt mathématique et intègre toutes les caractéristiques brutes du naturellement modèle standard , comme les groupes de jauge non-abéliennes et fermions chiraux. Parce que la théorie des cordes ne peut être testé dans un avenir prévisible, certains scientifiques ont demandé si elle mérite même d'être appelé un théorie scientifique; ce n'est pas falsifiable dans le sens de Popper .

Il a également été suggéré que la théorie des cordes est mieux pensée comme un cadre pour construire des modèles, de la même manière que la théorie quantique des champs est un cadre.

Idées de la théorie des cordes ont eu une influence majeure sur les propositions de la physique au-delà du modèle standard. Par exemple, alors que la supersymétrie est un ingrédient essentiel de la théorie des cordes, des modèles supersymétriques sans lien évident avec la théorie des cordes sont également étudiés. Par conséquent, si supersymmetry ont été détectés à la Large Hadron Collider il ne serait pas considéré comme une confirmation directe de la théorie. Toutefois, si la supersymétrie ont pas été détectés, il ya le vide dans la théorie des cordes dans laquelle la supersymétrie ne serait vu à des énergies beaucoup plus élevées, de sorte que son absence ne serait pas falsifier la théorie des cordes. En revanche, si, lors de l'observation étoiles lors d'une éclipse solaire , la gravité du soleil ne avait pas dévié de la lumière par le montant prévu, puis d'Einstein de la relativité générale théorie aurait été révélée fausse.

Sur un plan plus mathématique, un autre problème est que, comme beaucoup de théories quantiques des champs , une grande partie de la théorie des cordes ne est encore que formulés perturbativement (à savoir une série d'approximations plutôt que comme une solution exacte). Bien que les techniques non perturbatifs ont progressé considérablement - y compris conjecturé définitions complètes dans espace-temps satisfaisant certaines asymptotique - plein définition non perturbatif de la théorie est toujours défaut.

Pourtant, un autre problème central de la théorie des cordes est que les milieux les mieux compris de la théorie des cordes conservent une grande partie de la supersymétrie de la théorie sous-jacente, ce qui se traduit dans l'espace-temps de temps-invariant: actuellement la théorie des cordes ne peut pas traiter bien avec, d'origines cosmologiques dépendant du temps.

Les deux numéros précédents sont liés à un problème plus profond: la théorie des cordes pourrait ne pas être vraiment fondamental dans sa formulation actuelle, car il est dépendant de fond - la théorie des cordes décrit expansions perturbatifs environ milieux de l'espace-temps fixe. Certains voient fond l'indépendance comme une exigence fondamentale d'une théorie de la gravité quantique, en particulier depuis la relativité générale est déjà fond indépendante. En réponse à cette critique, certains théoriciens des cordes en désaccord ce contexte l'indépendance devrait être un principe directeur, tandis que d'autres espèrent que la théorie-M , ou un traitement non-perturbatif de la théorie des cordes (comme la théorie du champ de chaîne) se révèlent être de fond -indépendante, donnant comme solutions les nombreuses versions différentes de la théorie des cordes avec les différents milieux.

Un autre problème est que la structure sous vide de la théorie, appelé le paysage de la théorie de la chaîne, ne sont pas bien compris. Comme la théorie des cordes est actuellement compris, il semble contenir un grand nombre de distinct, méta-stable le vide, peut-être 10 ⁵⁰⁰ ou plus. Chacun de ces correspond à un univers différent, avec une collection différente de particules et des forces. Quel est le principe, le cas échéant, peut être utilisé pour sélectionner parmi ces vacua est une question ouverte. Bien qu'il n'y ait pas de paramètres continus connus dans la théorie, il ya une très grande discretuum (inventé par opposition à continuum) des univers possibles, qui peuvent être radicalement différente de l'autre. Certains physiciens pensent que cela est un avantage de la théorie, car il peut permettre à un naturel explication anthropique des valeurs observées de constantes physiques, en particulier la faible valeur de la constante cosmologique. Toutefois, ces explications ne sont pas habituellement considérés comme scientifique dans le poppérien sens.

La théorie des cordes ne signifie, au moins perturbativement, qu'au suffisamment élevées énergies-qui sont probablement près de la gravité quantique échelle la nature de chaîne comme des particules doivent être apparente. Par exemple, il devrait y avoir des copies plus lourdes de toutes les particules correspondant à des harmoniques de cordes. Cependant, on ne sait pas ce que ces énergies sont. Dans le cas limite, ces énergies seraient un million de milliards (dix suivi par quatorze zéros) fois plus élevé que ceux qui sont accessibles dans le plus récent accélérateur, le LHC.

Suite à l'apparition de deux livres qui prétendent la théorie des cordes est un échec, un débat médiatique chaude a évolué à partir de 2007.

«Depuis plus d'une génération, les physiciens ont été la poursuite d'un Feu Follet appelé la théorie des cordes. Le début de cette course a marqué la fin de ce qui avait été trois quarts de siècle de progrès. Des dizaines de string-théorie conférences ont été organisées, des centaines de nouveaux titulaires de doctorat ont été frappées, et des milliers d'articles ont été écrits. Pourtant, pour toute cette activité, pas une seule nouvelle prédiction testable a été fait, pas une seule énigme théorique a été résolu. Dans fait, il n'y a pas de théorie à ce jour, juste un ensemble de calculs des intuitions et suggérant qu'une théorie puisse exister Et, même si elle ne, cette théorie va venir dans un tel nombre ahurissant de versions qu'il sera d'aucune utilité pratique.: une théorie de rien ".

Histoire

La première personne à ajouter un cinquième dimension à d'Einstein de la relativité générale était mathématicien allemand Theodor Kaluza en 1919. La raison de la non-observabilité de la cinquième dimension (sa compacité) a été proposé par le physicien suédois Oskar Klein en 1926 (voir la théorie de Kaluza-Klein) . Ces prévisions seraient jeté les bases de la théorie des cordes en introduisant le concept de dimensions supplémentaires.

La théorie des cordes a été initialement développé et a exploré à la fin des années 1960 et au début des années 1970 pour expliquer certaines particularités du comportement de hadrons ( particules subatomiques comme les protons et neutrons qui connaissent la force nucléaire forte). En particulier, Yoichiro Nambu (et plus tard Lenny Susskind et Holger Nielsen ) a réalisé en 1970 que le modèle de la double résonance interactions fortes pourrait être expliquée par un modèle de chaînes mécanique quantique. Cette approche a été abandonnée comme une théorie alternative, la chromodynamique quantique, acquise support expérimental, mais a récemment refait surface dans le contexte de l'AdS / CFT correspondance.

Au milieu des années 1970, il a été découvert que le même formalisme mathématique peut être utilisé pour décrire une théorie de la gravité quantique. Cela a conduit à l'élaboration de la théorie des cordes bosons, qui est encore la première version enseigné à de nombreux étudiants.

Entre 1984 et 1986, les physiciens ont réalisé que la théorie des cordes pourrait décrire toutes les particules élémentaires et les interactions entre eux, et des centaines d'entre eux ont commencé à travailler sur la théorie des cordes que l'idée la plus prometteuse pour unifier les théories de la physique. Ceci est connu comme la première révolution des supercordes.

Au milieu des années 1990, Joseph Polchinski découvert que la théorie exige l'inclusion d'objets de dimensions supérieures, appelé D-branes. Ceux-ci ont ajouté une riche structure mathématique supplémentaire à la théorie, et ont ouvert de nombreuses possibilités pour la construction réalistes modèles cosmologiques dans la théorie.

En 1995, lors de la conférence annuelle de théoriciens des cordes à l'Université de Californie du Sud (USC),Edward Witten a prononcé son fameux discours sur la théorie des cordes que pratiquement uni les cinq théories des cordes qui existaient à l'époque, et de donner naissance à un nouveau 11- théorie dimensions appeléM-théorie. Cela a suscité la deuxième révolution des supercordes.

En 1997, Juan Maldacena conjecturé une relation entre la théorie des cordes et un théorie de jauge appelée N = 4 supersymétrique théorie de Yang-Mills. Cette conjecture, appelé correspondance AdS / CFT a suscité beaucoup d'intérêt dans le domaine et est maintenant bien accepté. Il est une réalisation concrète du principe holographique, qui a des implications profondes pour les trous noirs , la localité et l'information en physique, ainsi que la nature de l'interaction gravitationnelle. Grâce à cette relation, la théorie des cordes peut être liée à l'avenir de la chromodynamique quantique et de plomb, à terme, à une meilleure compréhension du comportement des hadrons, revenant ainsi à son objectif initial.

Récemment, la découverte dupaysage de la théorie des cordes, ce qui suggère que la théorie des cordes a un nombre exponentiellement grand d'vacua différente, conduit à des discussions de ce que la théorie chaîne pourraient éventuellement être prévu pour prédire, et de l'inquiétude que la réponse pourrait continuer à être rien .

La culture populaire

• Le livre The Elegant Universe par Brian Greene, professeur de physique à l'Université de Columbia, a été adapté dans un documentaire de trois heures pour Nova et également montré à la télévision britannique. Il a également été montré par Discovery Channel sur les Indiens télévision, ainsi que sur SBS en Australie.
• La théorie des cordes est également une trilogie de romans basés sur le Star Trek: Voyagersérie télévisée.
• L'espace de Calabi-Yau est mentionné en référence à une question hypothétiquetéléportation quantique (QT pour faire court) dans les romans Ilium et Olympos, parla science-fiction écrivain Dan Simmons.En outre, plusieurs autres mécanique quantique hypothétiques et les concepts liés à la théorie cordes sont employés et dans une certaine mesure expliqué ou décrit dans les livres:trous Brane,univers parallèles,singularités (les trous noirset lestrous de ver), des dispositifs morphing / de shapeshifting "quantiques" et la nature probabiliste intrinsèque de la théorie de la mécanique quantique.
• Dans " Rêves de HP Lovecraft dans la Sorcière-Maison ", un épisode des Série de Showtime Maîtres de l'Horreur(basé surune histoire de HP Lovecraft et réalisé parStuart Gordon), un jeune étudiant diplômé deétudes universitaires Miskatonic théorie des cordes interdimensionnelle dans son appartement délabré et découvre l'intersection de deux réalités distinctes.
• La théorie des cordes et sa philosophie connexe figure en bonne place dansla rivière des dieux, un roman de science-fiction deIan McDonald définies dans futuriste Inde.