Історія теорії струн включає дві суперструнні революції та кілька десятиліть напружених досліджень.
Теорія струн, завдяки зусиллям багатьох дослідників, перетворилася на широку та різноманітну тему, яка пов’язана з квантовою гравітацією, космологією, фізикою частинок, конденсованих речовин та чистою математикою.
1943–1959: Теорія S-матриці Теорія струн являє собою виріст теорії S-матриць,Rickles 2014, p. 28 n. 17: "S-matrix theory had enough time to spawn string theory". яка є дослідницькою програмою, розпочатою Вернером Гейзенбергом у 1943 р. після введення S-матриці Джона Арчібальда Вілера в 1937 р. Починаючи з кінця 1950-х і протягом 1960-х років багато теоретиків працювало над цією теорією. Поле стало маргіналізованим та викинутим у середині 1970-хRickles 2014, p. 113: "An unfortunate (for string theory) series of events terminated the growing popularity that string theory was enjoying in the early 1970s." та зникло до 1980-х. Фізики неоднозначно ставились до цієї теорії, оскільки деякі її математичні методи були чужими, до того ж квантова хромодинаміка витіснила її як експериментально більш кваліфікований підхід до сильних взаємодій.Rickles 2014, p. 4.
Теорія радикально переосмислювала основи фізичних законів. До 1940-х років уже було ясно, що протон і нейтрон не є точковими частинками подібно електрону. Їх магнітний момент сильно відрізнявся від моменту точкоподібної спін- зарядженої частинки. Їх взаємодія була настільки сильною, що вони розсіювались як маленька сфера, а не як точка. Гейзенберг припустив, що ці частинки насправді були розширеними об'єктами, і тоді поняття просторово-часової точки не справджується в ядерних масштабах.
Гейзенберг запропонував рішення цієї проблеми: зосередившись на величинах, які можна виміряти експериментами. Експеримент може виявити мікроскопічну величину лише тоді, коливона діє на класичні пристрої. Об'єкти, що летять у нескінченність, є стабільними частинками в квантових суперпозиціях різних станів імпульсу.
Гейзенберг припустив, що поняття стану імпульсу, яке визначається далеко від експериментальної камери, працює. Він запропонува квантово-механічнау амплітуду, як основну фізичну величину. При цьому група вхідних частинок перетворилася на групу вихідних частинок, і він не визнавав, що між ними були якісь кроки.
S-матриця - величина,що описує, як сукупність вхідних частинок перетворюється на вихідні частинки. Гейзенберг запропонував досліджувати S-матрицю, без будь-яких припущень щодо просторово-часової структури. Але стає важко щось розрахувати коли переходи від далекого минулого до далекого майбутнього відбуваються без проміжних кроків. У квантовій теорії поля проміжними етапами є коливання полів або віртуальних частинок. У цій теорії S-матриці взагалі немає локальних величин.
Гейзенберг використав унітарність для визначення S-матриці. І для всіх можливих ситуацій сума квадратів амплітуд повинна дорівнювати 1. Ця властивість може визначати амплітуду в порядку квантової теорії поля за порядком у ряді збурень, коли задаються основні взаємодії. В багатьох теоріях квантового поля амплітуди зростають занадто швидко при високих енергіях, щоб зробити унітарну S-матрицю. Для визначення розсіювання потрібні додаткові припущення щодо поведінки високих енергій, поскільки універсальності в даному випадку недостатньо.
До пропозиції Гейзенберга знову повернулися в 1956 р., коли Мюррей Гелл-Манн визнав, що дисперсійні відносини дозволяють формулювати поняття причинності, поняття, що події в майбутньому не впливатимуть на події в минулому, навіть коли мікроскопічне поняття минулого і майбутнього не є чітко визначеним. Він також визнав, що ці співвідношення можуть бути корисними при обчисленні спостережуваних для фізики сильної взаємодії.Gell-Mann, M. G. (1956). "Dispersion relations in pion-pion and photon-nucleon scattering." In J. Ballam, et al. (eds.), High energy nuclear physics, in: Proceedings of the Sixth Annual Rochester Conference Rochester: New York, USA, April 3–7, 1956 (pp. 30–6). New York: Interscience Publishers. Дисперсійні відносини є аналітичними властивостями S-матриціRickles 2014, p. 29. , вони встановлюють більш жорсткі умови, ніж ті, що випливають лише з унітарності. Цей розвиток в теорії S-матриць випливає з відкриття Мюррея Гелл-Манна та Марвіна Леонарда Голдбергера (1954) перетину симетрії, ще однієї умови, яку повинна виконувати S-матриця.Gell-Mann, M., and Goldberger, M. L. (1954). "The scattering of low energy photons by particles of spin 1/2." Physical Review, 96, 1433–8.
Новий підхід "дисперсійних відносин" підтримали Стенлі Мандельштам і Джеффрі Чу, на той час в UC Berkeley. Мандельштам відкрив у 1958 р. нову аналітичну форму - відносини подвійної дисперсії Він вважав, що це шлях до прогресу в нерозв'язних сильних взаємодіях.
1959–1968: Теорія Редже та моделі бутстрапа До кінця 1950-х років було вже відомо багато сильно взаємодіючих частинок більш високих спінів і , зрозуміло, що не всі вони мають фундаментальне значення. Японський фізик Шоїчі Саката припустив, що частинки можна розуміти як зв'язані стани лише трьох з них (протона, нейтрона та Лямбди, але Джеффрі Чью вважав, що жодна з цих частинок не є фундаментальноюChew, G. (1962). S-Matrix theory of strong interactions. New York: W.A. Benjamin, p. 32.. Підхід Сакати був перероблений в 1960-х роках у модель кварка Мюрреєм Гелл-Манном і Джорджем Цвейгом. Він запропонував ідею, згідно якої заряди гіпотетичних складових є дробовими і відкинув твердження, що вони є частинками. У той час підхід Чу вважався більш прийнятним, оскільки він не вводив дробових значень заряду і зосереджувався на експериментально вимірюваних елементах S-матриці, а не на гіпотетичних точкових складових.
У 1959 році італійський теоретик Тулліо Редже, виявив, що пов'язані стани в квантовій механіці можуть бути організовані в сім'ї, відомі як траєкторії Редже, причому кожна сім'я має характерні кутові моменти.Regge, Tullio, "Introduction to complex angular momentum," Il Nuovo Cimento Series 10, Vol. 14, 1959, p. 951. Цю ідея була узагальнена до релятивістської квантової механіки Стенлі Мандельштама, Володимира Грибова та Марселя Фруассара , використовуючи математичний метод (подання Зоммерфельда – Ватсона ),яку виявили десятиліттями раніше Арнольд Зоммерфельд. Результат було названо формулою Фруассара – Грибова.White, Alan. R. (2000). "The Past and Future of S-Matrix Theory".
У 1961 р. Джеффрі Чу і Стівен Фраучі визнали, що мезони мають прямолінійні траєкторії Редже, а розсіювання цих частинок повинно падати експоненціально швидко під великими кутами. З таким представленням теоретики сподівались побудувати теорію складених частинок на траєкторіях Редже, амплітуди розсіювання яких мали асимптотичну форму, як і повинно бути по теорії Редже.
Значним кроком вперед у підході до бутстрапа став принцип подвійності DHS, який запровадили Річард Долен, Девід Хорн та Крістоф Шмід у 1967 р. в Caltech (оригінальний термін для цього був "середня дуальність" або "скінченність" подвійність правила суми енергії (FESR) "). Дослідники помітили, що описи обміну полюсами Редж (при високій енергії) та резонансні (при низькій енергії) описи пропонують кілька уявлень / наближень одного і того ж фізично спостережуваного процесу.Rickles 2014, pp. 38–9.
1968–1974: модель подвійного резонансу Перша модель, в якій адронні частинки по суті слідують за траєкторіями Редже, є модель подвійного резонансу, побудована Габріеле Венеціано в 1968 р. який зазначив, що бета-функція Ейлера може бути використана для опису даних амплітуди розсіювання 4-частинок для таких частинок. Амплітуду розсіяння Венеціано узагальнили до амплітуди N - частинок Зіро Коба та Хольгер Бех Нільсен (відомий під назвою назву формалізму Коба – Нільсена), і до того, що визнано Мігель Вірасоро та Джоель А. Шапіро , яку названо Шапіро – Вірасоро.
У 1969 р. Правила Чан – Патона дозволили додавати фактори ізоспіну до моделі Венеціано.Rickles 2014, p. 5.
У 1969–70 рр. Йоічіро Намбу,Nambu, Y. (1970). "Quark model and the factorization of the Veneziano amplitude." In R. Chand (ed.), Symmetries and Quark Models: Proceedings of the International Conference held at Wayne State University, Detroit, Michigan, June 18–20, 1969 (pp. 269–277). Singapore: World Scientific. Хольгер Бех НільсенNielsen, H. B. "An almost physical interpretation of the dual N point function." Nordita preprint (1969); unpublished. та Леонард Суссінд представили фізичну інтерпретацію амплітуди Венеціано. Вони представили ядерні сили як вібруючі одновимірні струни. Однак цей опис сильної сили дав багато прогнозів, які суперечать експериментальним висновкам.
П'єр Рамонд незалежно від Джона Х. Шварца та Андре Неве у 1971 р. запропонували впровадити ферміони у подвійну модель. Це стало поштовхом до отримання концепції "обертання струн" і вказало шлях до методу усунення проблемного тахіону (див. формалізм RNS).Rickles 2014, p. 97.
Моделі подвійного резонансу для сильних взаємодій між 1968 і 1973 рр були популярним предметом дослідженняRickles 2014, pp. 5–6, 44. до того коли квантова хромодинаміка стала головним напрямком теоретичних дослідженьRickles 2014, p. 77. (головним чином завдяки теоретичній привабливості її асимптотичної свободи).Rickles 2014, p. 11 n. 22.
1974–1984: теорія бозонних струн і теорія суперструн У 1974 році Джон Х. Шварц і Джоел Шерк і Таміко Йонея, незалежно один від одного вивчали бозоноподібні моделі коливань струни і виявивли, що їх властивості точно відповідали гравітону, гіпотетичної гравітаційної сили в месенджері частки. Шварц і Шерк стверджували, що теорію струн не сприймали, оскільки фізики недооцінили її сферу. Це призвело до розвитку теорії бозонних струн.
Теорія струн сформульована з точки зору дії Полякова.Zwiebach, Barton (2009). A First Course in String Theory. Cambridge University Press. p. 582. Вона описує рух струн у просторі та часі. Струни і джерела, як правило, стискаються, щоб мінімізувати свою потенційну енергію. Збереження енергії заважає їм зникнути, і тому вони коливаються. В результаті застосовання ідеї квантової механіки до струн виводять різні коливальні режими струн. Кожен вібраційний стан представляється різною частинкою,маса якої та спосіб, з яким вона може взаємодіяти, визначаються способом вібрації струни - по суті, "нотою" струна "звучить". Шкала нот, кожна з яких відповідає різному виду частинок, називається "спектром" теорії.
Є відкриті рядки, які мають дві різні кінцеві точки і закриті рядки, де кінцеві точки об’єднуються, щоб зробити повний цикл. Два типи струн поводяться по-різному, даючи два спектри.
Рання модель струн має кілька проблем: вона має критичний розмір D = 26,. теорія має фундаментальну нестабільність, наявність тахіонівSakata, Fumihiko; Wu, Ke; Zhao, En-Guang (eds.), Frontiers of Theoretical Physics: A General View of Theoretical Physics at the Crossing of Centuries, World Scientific, 2001, p. 121. (див. Конденсація тахіону); крім того, спектр частинок містить лише бозони, такі частинки, як фотон, що має певні правила поведінки. Дослідження того, як теорія струн може включати ферміони у свій спектр, призвело до винаходу суперсиметрії (на Заході)Rickles 2014, p. 104. в 1971 році математичного перетворення між бозонами та ферміонами. Теорії струн, що включають ферміонні коливання, тепер відомі як теорії суперструн.
У 1977 році появилися перші послідовні теорії суперструн (див. нижче)- сімейства безтахіонних унітарних теорій вільних струн, яким передувала Проєкція GSO (названа на честь Фердінандо Гліоцці, Джоеля Шерка та Девіда І. Олива).
1984–1994: перша революція суперструн