В физике струна — это физическая сущность, постулируемая в теории струн и связанных с ней предметах. В отличие от элементарных частиц , которые по определению являются нульмерными или точечными, струны — это одномерные протяженные сущности. Исследователи часто интересуются теориями струн, поскольку теории, в которых фундаментальными сущностями являются струны, а не точечные частицы, автоматически обладают многими свойствами, которые некоторые физики ожидают от фундаментальной теории физики. В частности, теория струн, которые развиваются и взаимодействуют в соответствии с правилами квантовой механики, автоматически опишет квантовую гравитацию . [ требуется ссылка ]
В теории струн струны могут быть открытыми (образуя сегмент с двумя концами) или закрытыми (образуя петлю, подобную окружности) и могут иметь другие особые свойства. [1] 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 одной теории, называемой М-теорией .
В струнных теориях физики элементарных частиц струны очень малы; намного меньше, чем можно наблюдать в современных ускорителях частиц. Характерный масштаб длины струн обычно составляет порядка длины Планка , около 10 −35 метра, масштаба, в котором, как полагают, эффекты квантовой гравитации становятся значительными. Поэтому в гораздо больших масштабах длины, таких как масштабы, видимые в физических лабораториях, такие сущности будут казаться нульмерными точечными частицами. Струны способны вибрировать как гармонические осцилляторы , и различные колебательные состояния одной и той же струны интерпретируются как различные типы частиц. В струнных теориях струны, вибрирующие на разных частотах, составляют множественные фундаментальные частицы, обнаруженные в текущей Стандартной модели физики элементарных частиц. Струны также иногда изучаются в ядерной физике , где они используются для моделирования потоковых трубок .
По мере того, как струна распространяется через пространство-время , струна выметает двумерную поверхность , называемую ее мировым листом . Это аналогично одномерной мировой линии, прочерченной точечной частицей. Физика струны описывается посредством двумерной конформной теории поля, связанной с мировым листом. Формализм двумерной конформной теории поля также имеет множество приложений за пределами теории струн, например, в физике конденсированного состояния и частях чистой математики .
Струны могут быть открытыми или закрытыми. Закрытая струна — это струна, которая не имеет конечных точек, и поэтому топологически эквивалентна окружности . Открытая струна , с другой стороны, имеет две конечные точки и топологически эквивалентна интервалу линии . Не все теории струн содержат открытые струны, но каждая теория должна содержать закрытые струны, поскольку взаимодействия между открытыми струнами всегда могут привести к замкнутым струнам.
Старейшей теорией суперструн, содержащей открытые струны, была теория струн типа I. Однако разработки в теории струн в 1990-х годах показали, что открытые струны всегда следует рассматривать как заканчивающиеся на новой физической степени свободы, называемой D-бранами , и спектр возможностей для открытых струн значительно расширился.
Открытые и закрытые струны обычно связаны с характерными колебательными модами. Одна из колебательных мод замкнутой струны может быть идентифицирована как гравитон . В некоторых теориях струн самая низкоэнергетическая вибрация открытой струны является тахионом и может подвергаться тахионной конденсации . Другие колебательные моды открытых струн проявляют свойства фотонов и глюонов .
Струны также могут обладать ориентацией , которую можно рассматривать как внутреннюю «стрелку», отличающую строку от строки с противоположной ориентацией. Напротив, неориентированная строка — это строка, на которой нет такой стрелки.