Маленькая книга о большой теории струн. В поисках принципов устройства Вселенной - Стивен Губсер

Введение

Теория струн — это магия. Она претендует на статус Теории Всего, но при этом не может быть проверена экспериментально. И в этом её изотеричность. Она оперирует дополнительными измерениями, квантовыми флуктуациями и чёрными дырами, но неужели именно таков наш мир? Почему он не может быть устроен проще?

Теория струн — это магия. Практикующие её чародеи (и я — один из них) признают, что и сами не понимают эту теорию. Но выполненные с её помощью расчёты дают неожиданно красивые и согласованные результаты. А это означает, что нам придётся продолжить её изучение. Неужели реальный мир не может быть настолько красивым и упорядоченным? Неужели открывшаяся нам истина не соответствует реальности?

Теория струн — это магия. Она поглотила многих талантливых аспирантов, оторвав их от других увлекательных и, несомненно, более полезных тем, имеющих реальное практическое применение, например от сверхпроводимости. Как любая мистика, она притягивает внимание СМИ. Теория струн стала объектом проклятий и анафем приверженцев классической парадигмы из-за невозможности экспериментальной проверки её предсказаний.

И в чём же, собственно, заключается магия? Если говорить коротко, то идея теории струн в том, что фундаментальными кирпичиками материи являются не элементарные частицы, а струны.

Струны похожи на маленькие резиновые ниточки, очень тонкие и невероятно упругие. Электрон, например, представляет собой струну, вращающуюся и вибрирующую в столь малом масштабе, что обнаружить эту вибрацию сложно даже при помощи самых современных ускорителей элементарных частиц. В одних вариантах теории струн электрон описывается как крошечное замкнутое колечко, в других — как отрезок струны, имеющей два свободных конца.

Давайте же совершим небольшой экскурс в историю возникновения теории струн.

Часто теорию струн описывают как теорию, изобретённую «задом наперёд». «Задом наперёд» означает, что сначала у учёных были отдельные фрагменты теории, которые давали блестящие результаты, но никто не мог сказать, стоит ли за этими фрагментами что-либо более глубокое и фундаментальное.

Вначале была... формула. Красивое уравнение, выведенное в 1968 году; оно описывало столкновения пионов в виде взаимодействия струн. Но в то время ещё никто толком не понимал, что такое струны и что с ними делать. Такой вот математический курьёз: есть уравнение, которое имеет осмысленные решения, но при этом никто не понимает его смысла. Понимание пришло позднее, когда обнаружилось, что теория струн включает гравитацию в том виде, в каком она описывается Общей теорией относительности.

В 1970-х и в начале 1980-х годов теория струн балансировала на грани забвения. Она не выглядела пригодной для своего главного предназначения: описания ядерных взаимодействий. При попытке подружить теорию струн с квантовой механикой обнаружился ряд несоответствий, называемых аномалиями. Например, при описании частиц, похожих на нейтрино, но обладающих электрическим зарядом, теория предсказывала, что определённые типы гравитационных полей способны спонтанно рождать электрические заряды. А это очень плохо, потому что квантовая механика требует, чтобы во Вселенной сохранялся строгий баланс между общим числом положительных и отрицательных зарядов. Прорыв произошёл в 1984 году, когда был открыт так называемый принцип устранения аномалий. После этого теория струн стала всерьёз рассматриваться как кандидат на полное описание Вселенной.

Этот сугубо технический прорыв ознаменовал начало первой суперструнной революции — периода бурной деятельности и потрясающих открытий, которые, однако, не позволили достичь первоначальной цели: создания Общей Теории Всего. Когда это всё начиналось, я был ребёнком и жил неподалёку от Центра теоретической физики в Аспене — очага этой деятельности. Вокруг меня множество людей постоянно бормотали что-то про теорию суперструн и про возможность её проверки на сверхпроводниковом суперколлайдере, и я был просто суперочарован всеми этими супервещами.

Итак: суперструны — это струны, обладающие особыми суперсимметричными свойствами. А что такое суперсимметрия? Я постараюсь объяснить это позже, а сейчас позвольте мне сделать пару частных замечаний. Во-первых, суперсимметрия имеет отношение к частицам с различными спинами. Спин частицы — это момент импульса, определяющий её вращение. Частица ведёт себя подобно вертящемуся теннисному мячу после удара «топспин». Только, в отличие от теннисного мяча, частица не может перестать «вращаться». Во-вторых, честно признаться, из всех вариантов струнных теорий мы лучше всего понимаем суперсимметричную. Несуперсимметричные теории требуют двадцати шести измерений, в то время как суперсимметричные обходятся всего десятью. Конечно, кое-кто заявит, что и десять измерений — «это уже слишком», поскольку в повседневной жизни мы привыкли к трём пространственным измерениям и одному временно́му. Так вот, часть усилий по втискиванию теории струн в реальный мир направлена именно на то, чтобы избавиться от лишних измерений или найти им полезное применение.

Оставшуюся часть 1980-х струнные теоретики провели в неистовой гонке, на финише которой маячил призрак Общей Теории Всего. Но они ещё и представления не имели о том, что готовит им теория струн. А дело шло к тому, что струны — это ещё не вся теория. Помимо струн теория требовала существования бран: объектов, имеющих протяжённость в нескольких измерениях. Простейшая брана — это мембрана. Подобно коже барабана, мембрана имеет протяжённость в двух независимых измерениях. И, подобно коже барабана, она может вибрировать. Существуют также 3-браны, заполняющие наше привычное трёхмерное пространство и вибрирующие в дополнительных измерениях. Но могут существовать и 4-браны, и 5-браны, и так далее, вплоть до 9-бран. Всё это начинает выглядеть слишком неудобоваримым, но имеются серьёзные основания полагать, что мы не сможем понять смысл теории струн без включения в неё всех этих бран. Одним из таких оснований является дуальность теории струн. Дуальность — это отношение (математики скажут: реляция) между двумя на первый взгляд различными объектами или двумя различными точками зрения. Простейшим примером дуальности является описание шахматной доски. Кто-то скажет, что шахматная доска белая с чёрными клетками, а кто-то — что она чёрная с белыми клетками. Обе точки зрения адекватно описывают вид шахматной доски. Они различны, но соотносятся друг с другом через операцию замены белого на чёрное.

В середине 1990-х мы стали свидетелями второй суперструнной революции, основанной на складывающемся понимании дуальностей и роли бран. И снова усилия были направлены на попытки втиснуть это новое понимание в рамки теории, которая могла бы претендовать на звание Общей Теории Всего, где слово «всего» включает все аспекты фундаментальной физики, которые мы могли бы понять и проверить экспериментом. Гравитация является частью фундаментальной физики. Так же как и электромагнитные и ядерные взаимодействия. Так же как и строение и поведение частиц: электронов, фотонов, протонов и нейтронов, из которых состоят атомы. Пока что построения теории струн позволяют воспроизводить лишь общие наброски того, что мы знаем, и существуют определённые трудности, не позволяющие говорить о ней как о полностью жизнеспособной теории. Но парадокс в том, что чем больше мы узнаём о теории струн, тем больше мы убеждаемся в том, что мы ничего не знаем. Судя по всему, назрела необходимость в третьей суперструнной революции. Но пока она не предвидится. Напротив, струнные теоретики пытаются уже на существующем уровне развития и понимания теории делать частные предположения о следствиях, которые могут быть проверены в экспериментах: как нынешних, так и грядущих. Наиболее значительные усилия направлены на попытки описать с помощью теории струн высокоэнергетические столкновения протонов и тяжёлых ионов. Мы надеемся, что это описание, возможно, поможет понять идею суперсимметрии, или роль дополнительных измерений, или смысл горизонта чёрной дыры, а может быть, и всё вышеперечисленное разом.