В физике струна — это физическая сущность, постулируемая теорией струн и связанными с ней предметами. В отличие от элементарных частиц , которые по определению являются нульмерными или точечными, струны представляют собой одномерные расширенные объекты. Исследователи часто интересуются теориями струн, поскольку теории, в которых фундаментальными объектами являются струны, а не точечные частицы, автоматически обладают многими свойствами, которые некоторые физики ожидают сохранить в фундаментальной теории физики. В частности, теория струн, которые развиваются и взаимодействуют в соответствии с правилами квантовой механики , автоматически описывает квантовую гравитацию .
В теории струн струны могут быть открытыми (образуя сегмент с двумя концами) или замкнутыми (образуя петлю, подобную кругу) и могут обладать другими особыми свойствами. [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 аспекты. Сегодня считается, что эти разные теории суперструн возникают как разные предельные случаи одной теории, называемой М-теорией .
В струнных теориях физики элементарных частиц струны очень крошечные; намного меньше, чем можно наблюдать в современных ускорителях частиц. Характерный масштаб длины струн обычно порядка планковской длины , около 10–35 метров , масштаб, при котором считается, что эффекты квантовой гравитации становятся значительными. Поэтому на гораздо больших масштабах длины, таких как масштабы, видимые в физических лабораториях, такие объекты будут выглядеть как нульмерные точечные частицы. Струны способны вибрировать как гармонические осцилляторы , а разные колебательные состояния одной и той же струны интерпретируются как разные типы частиц. В теориях струн струны, колеблющиеся на разных частотах, составляют множество фундаментальных частиц, обнаруженных в современной Стандартной модели физики элементарных частиц. Струны также иногда изучаются в ядерной физике , где они используются для моделирования трубок магнитного потока .
По мере того как струна распространяется в пространстве-времени , она выметает двумерную поверхность , называемую ее мировым листом . Это аналогично одномерной мировой линии, очерчиваемой 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 некоторых разделах чистой математики .
Строки могут быть как открытыми, так и закрытыми. Замкнутая строка — это строка, не имеющая концов и, следовательно, топологически эквивалентная окружности . С другой стороны, открытая строка имеет две конечные точки и топологически эквивалентна отрезку строки. Не все теории струн содержат открытые струны, но каждая теория должна содержать закрытые струны, поскольку взаимодействие между открытыми струнами всегда может привести к образованию закрытых струн.
Старейшей теорией суперструн, содержащей открытые струны , была теория струн типа I. Однако развитие теории струн в 1990-х годах показало, что открытые струны всегда следует рассматривать как заканчивающиеся на новой физической степени свободы, называемой D-бранами , и спектр возможностей открытых струн значительно расширился.
Открытые и закрытые струны обычно связаны с характерными модами колебаний. Одну из мод колебаний замкнутой струны можно назвать гравитоном . В некоторых теориях струн вибрация открытой струны с самой низкой энергией является тахионной и может подвергаться тахионной конденсации . Другие моды колебаний открытых струн проявляют свойства фотонов и глюонов .
Строки также могут иметь ориентацию , которую можно рассматривать как внутреннюю «стрелку», отличающую строку от строки с противоположной ориентацией. Напротив, на неориентированной струне такой стрелки нет.