Skrij in išči v 11-dimenzionalnem prostoru

Skrij in išči v 11-dimenzionalnem prostoru

Alexander Gorsky
"Trinity Option" št. 17 (211), 23. avgust 2016

Nagrada Dirac 2016 je bila podeljena Arkady Weinstein, Mikhail Shifman iz Inštituta za teoretično fiziko Faina na Univerzi v Minnesoti in Nathan Seiberg iz Inštituta za napredne študije Univerze Princeton. Izredni rezultati v kvantni kromodinamiki zunaj okvira teorije perturbacije in natančnih rezultatov v supersimetričnih teorijah ("Na področju supersimetričnih poljskih teorij"). Nagrada je gotovo zaslužena.

Alexander Gorsky, IITP RAS

Kaj za tem suhi formulaciji? Glavni lik v tej igri je kvantni kromodinamični vakuum (v nadaljnjem besedilu: QCD) – teorijo močnih interakcij, ki so jo leta 1973 oblikovali v sodobni obliki Murray Gell-Mann, Heinrich Leitvillers in Harald Fritch. Več kot 40 let je minilo, in kako je urejen QCD vakuum je osnovno stanje sistema, tako da ni gotovo znano.

Izrazi se standardna urok: "QCD vakuum je dvojni superprevodnik", vendar je jasno, da je razumevanje zelo približno in še ni pridobljeno iz prvih načel kvantne teorije polj.Vprašanje vakuuma QCD ali, z drugimi besedami, problem zaprtja (quark zatočišče), je upravičeno med tremi najpomembnejšimi problemi temeljne fizike, skupaj z vprašanjem kvantne gravitacije ter narave temne energije in temne snovi.

Torej, vakuum QCD. Sigurno vemo, da je QCD asimptotično prosta teorija; tj. elementarni QCD-delci – gluoni in kvarki med seboj slabo delujejo na majhnih razdaljah in močno vplivajo na velikih razdaljah. Bralec naj previdno prevzame besede "velik" in "majhen": oba spadata na zelo majhne razdalje z makroskopskega vidika in sama teorija določa lestvico, glede na katero se upoštevajo vrednosti.

A. Weinstein in M. Shifman. Fotografija iz Facebooka

Ker se sila interakcije povečuje z razdaljo, se med kvarki potegne niz, ki ne dopušča, da bi kvarkovi obstajali neodvisno – to je pojava zapora (iz angleščine). zaprtje – zadržanje, omejitev. – Ed.). Kako se pojavlja QCD niz in kakšna je lastnost vakuuma QCD, ki je odgovorna za njeno pojavljanje, je izredno težko vprašanje. Opažam, da so poskusi zadovoljiviopise razprševanja delcev v teoriji močnih interakcij in pripeljala do nastanka teorije strun v poznih šestdesetih letih prejšnjega stoletja – zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja.

Fiziki so zainteresirani za različne lastnosti delcev – mezoni in barioni, njihove razpade in transformacije. Ali jih je mogoče izračunati na poljuben samostojen način? Če postavimo tako nalogo, moramo upoštevati, da je kot vsak kvantni predmet vdolbinec QCD zelo nihajoči medij, se v njej rodi in v njem umirajo navidezni vzburki. Poleg tega je stanje z vakuumom QCD zapleteno z dejstvom, da v njem obstajata dve vrsti vakuumskih nihanj, kar bomo po preprostosti poklicali majhne in velike.

Za jasnost je smiselno predstavljati nihalo na vzmetenju. Za njega so majhna nihanja majhna nihanja nihala glede na ravnovesni položaj in velika nihanja, ko nihalo naredi popolno vrtenje okrog točke vzmetenja.

Seveda je drugi proces klasično nemogoč, če samo nihalo ni močno potisnjeno, vendar smo že v kvantnem svetu, v katerem je vse mogoče, le z različnimi verjetnostmi. Lahko rečemo o velikih nihanjih, ki nastanejo kot posledica kvantnega tunela in imajo netrivialne topološke lastnosti. V fiziki jih imenujemo instantonsvendar bomo po nepotrebnem poskušali uporabiti ta izraz. Njihovo drugo ime je nerturbativna nihanja. Prvič v kvantni teoriji polj so bili najdeni leta 1975 v znamenitem delu A. Belavina, A. Polyakov, A. Tyupkin in A. Schwartz.

Učinek predora. Slika od mini-fizik.blogspot.ru

Pazljiv bralec je verjetno že ugotovil, da je ob upoštevanju vseh velikih in majhnih nihanj, ki so prav tako zelo težko komunicirati drug z drugim, videti kot brezupna naloga. Ampak tukaj prihaja združitev globoke fizične intuicije in strogih matematičnih argumentov.

Pomen takšne zveze dobro razumejo vsi trije zmagovalci nagrade. Konec sedemdesetih let so v seriji del Arkadija Weinsteina, Valentina Zakharova in Mikhaila Shifmana oblikovali pravila za VSSH, kar se je izkazalo kot izjemno učinkovito pri izračunu fizikalnih lastnosti zelo vzajemnih delcev.

Kako ste uspeli rešiti problem vsesanja za vse vrste vakuumskih nihanj, velikih in majhnih? S pomočjo elegantnih matematičnih argumentov je bilo mogoče oblikovati dve različni predstavitvi za različne količine, brez izračunavanja neskončnih serij od nihanj z neznanimi koeficienti.Če primerjamo obe predstavitvi, je bilo mogoče izračunati značilnosti delcev in oblikovati skupna pravila.

Toda kako ste uspeli upoštevati izredno zapleteno strukturo vakuuma QCD? Zapletenost osnovnega stanja je bila predlagana za šifriranje z množico tako imenovanih vakuumskih kondenzatov, katerih vrednosti so svetovne konstante. Ampak obstaja tudi neskončno veliko kondenzatov, zato smo na prvi pogled preprosto zapisali eno nerešljivo nalogo skozi drugo.

Vendar pa se je izkazalo, da je mogoče vsa pravila oblikovati tako, da bodo imeli ključno vlogo le dva vakuumska kondenzata – kiralna in gluonska. Ti kondenzati pravijo, da se levo-desna simetrija in simetrija glede na spremembo lestvice prekineta v vakuumu QCD. In če je bil kiralni kondenzat predhodno znan, je bil gluonski kondenzat uveden in ugotovljen iz primerjave z eksperimentom v teh dokumentih.

Podrobnosti o tem, kako nastane pri seštevanju zaradi velikih nihanj QCD vakuuma, še vedno niso znane, vendar je bila njegova vrednost določena s precej dobro natančnostjo. Glonski kondenzat prispeva k temni energiji, njen prispevek pa precej presega vrednost, znano iz kozmoloških podatkov.Kako je ta prispevek zmanjšan je odprto vprašanje.

Eden glavnih hobijev teoretikov je iskanje novih simetrije, po odkritju simetrije pa mehanizem njene kršitve takoj iščejo z istim navdušenjem. Enako se je zgodilo s supersimetrijo, ki so jo leta 1971 v FIAN predlagali Yury Golofand in Yevgeny Likhtman. V okviru supersimetrije se združujejo "kolektivisti" bozoni in "individualisti" fermioni. Sinteza supersimetrije in QCD je pripeljala do nastanka supersimetrična kvantna kromodinamika – naš naslednji znak.

Skeptik, seveda, bo rekel, da supersimetrija ni bila najdena v naravi in ​​je le teoretična igrača. Ne bomo trdili in do zdaj bomo zaznali supersimetrično QCD kot zanimiv model. Postavimo si isto vprašanje: kako deluje vakuum supersimetričnega QCD in kako so majhna in velika nihanja urejena glede na njegovo ozadje? Prvič, strogo je mogoče dokazati, da obstaja več kot en vakuum – več jih je. Drugič, zaradi dodatne simetrije se pojavijo nekatera zmanjšanja neželenih učinkov in upamo, da lahko v takem okolju rečemo malo več o vakuumu kot v teoriji brez supersimetrije.

V letih 1982-1984 so bili v seriji dela, opravljenega v ITEP, preučevani stantoni v supersimetričnih QCD – velika nihanja v vakuumu. Ugotovili smo dva nova lepa in nepričakovana pojava, ki sta močno vplivala na nadaljnji razvoj kvantne teorije polj.

Najprej se je izkazalo, da majhna nihanja v ozadju velikega (majhno nihanje nihala ob popolni rotaciji okoli točke vzmetenja) vedo, kako se konstanta interakcije teorije obnaša na različnih ravneh – tako imenovani WZNSH (Weinstein-Zakharov-Novikov Shifman) natančno beta funkcijo. To je bil, očitno, prvi primer, ko v kvantni teoriji polj brez dodatnih zakonov ohranjanja je bilo mogoče natančno predstaviti prispevek vseh majhnih nihanj v določeni fizično pomembni količini.

Drugič, izkazalo se je, da se pojavijo nenavadne situacije, ko dva preskušanca, vstavljena v različnih točkah prostora, ne vedo o razdalji med temi točkami. Tako smo v teoriji izračunali enega od vakuumskih kondenzatov.

Oba rezultata sta bila globoka in njihov pomen ni bil takoj cenjen. Prva je o skriti strukturi v razmerju majhnih in velikih nihanj (perturbativno inne-perturbativna) – šele zdaj začne sorazmerno tanek videz; drugi pa se je izkazal za prvi primer »topoloških korelatorjev« v nontopološki teoriji polj.

Topološke teorije kvantnega polja, ki nimajo koncepta razdalje, so bile strogo oblikovane šele v poznih osemdesetih letih 20. stoletja v delih Albertja Schwarza in Edvarda Witta in zelo resno vplivale na matematiko in njeno tesno povezavo s kvantno teorijo polja.

N. Seiberg. Fotografije iz insti.physics.sunysb.edu

Kaj je znano po tretjem zmagovalcu? V letih 1993-1994 se je pojavila dela Nathana Seiberga, kjer je bilo oblikovano tisto, kar se zdaj imenuje Seiberška dvojnost. Domneva se, da obstajajo zelo netrivialne povezave med različnimi supersimetričnimi poljskimi teorijami.

Neravno strokovnemu delavcu je težko pojasniti bistvo te hipoteze, zato se bomo omejili na poskušanje pojasniti, zakaj je to tako pomembno. Kot smo že večkrat rekli, obstaja majhna in velika nihanja vakuuma. Način, ko prevladujejo majhna nihanja, se imenuje način šibke povezave; ko velik – močan sklopni način. Jasno je, da so v načinu šibkega spajanja, ko so učinki interakcije majhni, izračuni lažje izvedljivi.

Torej, Seibergovo dvojnost povezuje dve teoriji, od katerih je eden v močnem sklopnem načinu, drugi pa v šibkem načinu spenjanja. To omogoča pridobivanje zanimivih rezultatov v teoriji z močno povezavo na naslednji način: uporabimo preoblikovanje dvojnosti in jo prenesemo v šibko spajanje v drugi teoriji, izvedemo sorazmerno preproste izračune in rezultate rezultatov teh izračunih prevedemo nazaj v prvotno teorijo. Verjetno je isti igralec, ki je imel vlogo pri novi vlogi, naučil nekaj novega o sebi.

Tak trik vam omogoča, da naredite zanimive napovedi. Na primer, lahko elementarni delci v eni teoriji postanejo sestavljeni v drugem. Še vedno ni matematično natančnega dokaza Seiberške dvojnosti, vendar se je izkazalo za zelo koristno pri razjasnitvi fizične slike. Ta dela so povzročila val zanimanja za koncept dualnosti v dokaj širokem kontekstu, zdaj pa je število teorij, ki jih med seboj povezuje ta ali tista dvojnost, velika.

Poleg tega se je izkazalo, da so različne različice teorije nizov med seboj povezane s preoblikovanjem dvojnosti, kar je omogočilo združitev vseh različic teorije superstrinj v eno M-teorijo – teorijo membrane v 11-dimenzionalnem prostoru.

Ali je mogoče natančno upoštevati vsa velika vakuumska nihanja? Leta 1994 sta se pojavila dva dela Seiberga in Witten, v kateri napredna supersimetrična kvantna kromodinamika (ne sprašuj, kaj je to), je bil ugotovljen natančen odgovor za številne fizično pomembne količine, vključno z masnim spektrom stabilnih delcev. Zaradi dejstva, da je v teoriji z razširjeno supersimetrijo relativno lahko računati majhna vakuumska nihanja, se je glavni problem zmanjšal na račun velikih nihanj.

Ta dela še vedno dajejo močan vtis, avtorji so uspeli preiti na sami meji med izjemno fizično intuicijo in ko se začne zelo neobrazen let fantazije. Na tem obrazu so jih držali precej tanki matematični rezultati in argumenti.

Kot rezultat, z uporabo čarovnih urokov, v katerih sta bila omenjena dvojnost, holomorfija in renormalizacijska skupina, je "dobil zajca iz klobuka" in brez izrecnih izračunih prispevkov velikih nihanj "uganil" točen odgovor, ki je izničil vse preproste kontrole.

Takrat se je zdelo to problem zatočišča QCD bo kmalu rešen. Vendar je bilo veselje prezgodaj.Da bi razložili zaprtje v navadnem QCD, je bilo treba najprej prekiniti teorijo z razširjeno supersimetrijo v teorijo z enostavno supersimetrijo in na drugem koraku prekiniti teorijo s preprosto supersimetrijo v QCD, kjer sploh ni nobene supersimetrije.

Prvi korak je bil hitro dosežen, pokazalo pa se je, da se kumulacija monopolov, omejevalni mehanizem, ki se pričakuje pri QCD, res pojavlja zaradi seštevanja velikih nihanj. Vendar pa je bilo zelo težko narediti drugi korak, raziskave v tej smeri se nadaljujejo v sedanjosti.

Konfekcijski kvarki. Slika od Nature.com

Trajalo je že skoraj deset let, da bi "Seiglberg-Witten" iz "prvega" načela "izgovarjal" z neposrednim seštevanjem vseh velikih vakuumskih nihanj. To je bilo mogoče storiti šele leta 2002 Nikiti Nekrasov s pomočjo čudovitega kaskaderja.

Izkazalo se je, da je priročno vrteti ves naš štirimi dimenzionalni svet (tri koordinate + čas) z majhno kotno hitrostjo. Naj privoščimo nekoliko tvegano analogijo. V centrifugi lahko poskusimo ločiti tiste "prispevke", ki nas zanimajo – nekaj podobnega je naredil Nekrasov, rezultat celovitega zbiranja velikih vakuumskih nihanj "v centrifugi" se zdaj imenuje statistična vsota Nekrasova.Rezultat Seiberga – Witten je bil popolnoma potrjen.

Dualnost Seiberga in rešitev Seiberg-Witten sta bila tesno povezana z geometrijo 11-dimenzionalnega prostora in sliko sveta na brane. Bralec se mora postopoma navaditi na idejo, da živi na šestdimenzionalni površini ("brane"), vgrajeni v 11-dimenzionalnem prostoru. To bi mu moralo zadovoljiti, ali bi se moral sprijazniti z njim, vse je odvisno od temperamenta.

Seibergovo dvojnost se je izkazalo za preprosto gibanje branjev v večdimenzionalnem prostoru, rezultat natančnega seštevanja velikih nihanj okrog vakuumskega stanja pa se je izkazal kot enakovreden dejstvu, da je oblika "naša brana" zelo konkretna oblika. To je oblika brane, ki določa sklop stabilnih delcev in njihovo maso.

Seveda je znanost igra skrivanja z Bogom, kjer vedno igraš vlogo vodje. Toda izbira katerega predmeta bomo iskali v naših rokah in moramo priznati zmagovalce, so izbrali najbolj visoko vredne cilje iskanja. Seveda je lažje pisati o Arcadiji in Miši, delali so v Rusiji do leta 1990 in bili eden od glavnih akterjev v zlatih desetletjih ITEP, v sedemdesetih in osemdesetih letih, ko je bil zagotovo v prvih petih centri teoretične fizike.Imeli so pomembno vlogo pri ustvarjanju popolnoma edinstvenega znanstvenega ozračja tistih let.

Ko je Arkady prišel v ITEP iz Novosibirska, in to se je zgodilo zelo pogosto, delo se je začelo zjutraj in zvečer, ko so se vsi vrnili domov, so se iz drugega nadstropja teoretične mize slišali glasni glasi in samo jok, ki bi ga lahko zunanji ponudnik potreboval za pojasnitev razmerja.

Nagrada Dirac

In samo z Arkadijem in Mišo so skupaj s soavtorji ugotovili, kakšen je odnos z naravo. Že 40 let se je spremenilo samo barvo las. In zdaj se isto dogaja na Inštitutu za teoretično fiziko v Minneapolisu. Njihovo navdušenje za znanost lahko zavidajo novince. Enake besede veljajo za Nathana Seiberga.

Nemogoče je omeniti izjemno vlogo, ki jo je Arkady igral in še naprej igra v "vzgoji" mlajših teoretikov. Ima nekaj formalnih študentov, a mnogi, vključno z avtorjem teh vrstic, se dobro zavedajo, koliko jim je dal. "Weinsteinov radij", količina, znana v teoriji gravitacije, je odkrita, precej velika.

Kot je dejal eden kolega, so konference razdeljene na dolgočasne, kar je precej živahno za tiste, v katerih sodeluje Weinstein.In Miša Shifman v zadnjih letih svoje strast do znanosti v knjigah in esejih, kjer se zgodbe znanstvenikov in znanstvenih idej berejo kot zanimive detektivske zgodbe. Njihova vloga pri prenosu bakle znanstvenega znanja je odlična, deloma pa zaradi odhoda takšnih ljudi problem v institucijah znanstvenega ugleda in strokovnega znanja v Rusiji je tako resen.

To zaključuje kratek sprehod skozi nihajoči vakuum. Kot smo že omenili, je problem zatočišč v QCD preživel in čaka na rešitev. Poleg tega se je izkazalo, da je tesno povezano s problemom konstruiranja kvantne gravitacije, vendar je to še ena zgodba.

Rezultati laureatov so izjemno pomembni in bodo nedvomno eden od ključnih elementov pri iskanju odgovora. Dirac lahko dobi le tri nagrajence, to je omejitev pri podelitvi nagrade, zato ne dvomim, da je odbor imel težave pri izbiri s precej širšega seznama. Nujno je treba upoštevati znanstveni prispevek Valentina Zakharova, Nikite Nekrasov in Viktorja Novikovega. Še enkrat čestitam trem zmagovalcem na tej zasluženi nagradi.


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: