Струнный концерт для вселенной. Может быть, или не может быть? Вот в чем вопрос

В ближайшем будущем физика может вернуться к пифагорейской идее мировых гармоний. Но, разумеется, на новом уровне. Теория суперструн забрасывает широкий невод в океан мироздания. Это обширная и глубокая теория, охватывающая многие важнейшие положения, играющие центральную роль в современной физике. Она объединяет законы макромира и микромира, действие которых распространяется в самые дальние дали космического пространства и на мельчайшие частицы материи; поэтому рассказать об этой теории можно по-разному.

В 1968 году два молодых теоретика из ЦЕРНа, Габриэле Венециано и Махико Сузуки, занимались математическим анализом столкновений пионов (в устаревшей номенклатуре – пи-мезонов). Подобные квантовые коллизии описывают с помощью матрицы рассеяния, которая позволяет найти вероятности переходов сталкивающихся частиц из начальных состояний в конечные.

В каждом случае ее обычно вычисляют лишь приближенно. Венециано и Сузуки независимо друг от друга заметили, что амплитуду парного рассеяния высокоэнергетичных пионов можно очень точно выразить с помощью малоизвестной бета-функции, которую в 1730 году придумал Леонард Эйлер. В чистом виде ее используют редко, и говорят, что церновские физики наткнулись на бета-функцию случайно, просматривая математические справочники. Это событие вызвало в физике элементарных частиц немалую сенсацию. Вскоре другие теоретики установили, что амплитуда пион-пионного рассеяния на самом деле задается разложением в бесконечный ряд, первый и основной член которого как раз и совпадает с формулой Венециано–Сузуки.

А в 1970 году Ёчиро Намбу, Тецуо Гото, Леонард Сасскинд и Хольгер Нильсен обнаружили поистине удивительную вещь. Они вывели эту же формулу, предположив, что взаимодействие между сталкивающимися пионами возникает из-за того, что их соединяет бесконечно тонкая колеблющаяся нить, подчиняющаяся законам квантовой механики. Этот неожиданный результат дал толчок изобретению моделей, представляющих элементарные частицы в виде сверхмикроскопических одномерных камертонов, вибрирующих на определенных нотах. Их-то и стали называть струнами.

Лишние шесть измерений

Джон Шварц: "В начале 1990-х ученые, защитившие докторскую диссертацию по теории струн, с трудом могли найти работу. Сейчас подобные эксперты нарасхват"

Первая версия теории струн получила название бозонной, так как имела дело только с целочисленными спинами. Однако в 1971 году Джон Шварц, Андре Невё и Пьер Рамон нашли обобщение струнной концепции, которая описывала как бозоны, так и фермионы, частицы с полуцелым спином. В этой модели с каждой бозонной струнной вибрацией сочетается парная ей фермионная. В квантовой теории поля такое соответствие между бозонами и фермионами именуют суперсимметрией. Поэтому новую версию стали называть суперсимметричной теорией струн или, короче, теорией суперструн.

Изначально в ней видели кандидата на общую теорию сильного взаимодействия между элементарными частицами. Но как раз в начале 1970-х появилась квантовая хромодинамика, чрезвычайно эффективный способ описания сильных взаимодействий, основанный на кварковой модели. Она прекрасно согласовывалась с экспериментами и к тому же не выходила за рамки квантовой теории поля, которые считались универсальной основой фундаментальных объяснений микромира. Теория струн на этом фоне выглядела чистой экзотикой, которая к тому же не могла похвастаться ни внутренней стройностью, ни экспериментальными подтверждениями. Поэтому почти все специалисты ее просто проигнорировали.

Юная теория сразу же столкнулась и с трудностями иного рода. В том же 1970 году американец Клод Лавлейс заметил, что модель Венециано математически корректна только в случае, если пространственно-временной континуум является 26-мерным. Это еще можно было пережить, но вскоре Шварц, Невё и Рамон ввели в теорию струн спин и доказали, что в таком виде она может реализоваться только в десятимерном пространстве-времени, вмещающем девять пространственных измерений и одно временное. Это был шок: физикам еще ни разу не приходилось сталкиваться с теорией, которая бы сама выбирала размерность. Уравнения механики Ньютона, максвелловской электромагнитной теории, СТО, ОТО и квантовой электродинамики можно написать для любого числа измерений, и они будут работать. А теория суперструн непременно требовала для себя пространства-времени одной определенной размерности и ни на какое иное напрочь не соглашалась (причем требовала не привычное 4-мерное пространство-время). 6 измерений оказались лишними, и над "струнниками" стали посмеиваться. Шварц вспоминал, что Ричард Фейнман как-то ехидно спросил у него: "Ну, Джон, так в каких измерениях вы живете сегодня?" Казалось, что модели суперструн так и суждено остаться чисто интеллектуальным упражнением, что часто бывает в теорфизике.

Спасительная гравитация

Майкл Грин: "Теория суперструн замечательна тем, что создает прекрасную картину звучащей Вселенной, основанной на принципе музыкальной гармонии"

Спасение пришло с неожиданной стороны. при решении струнных уравнений появлялись замкнутые кольца, которым соответствовали неизвестные науке безмассовые частицы со спином 2. Все попытки от них избавиться ни к чему не приводили – теория попросту рассыпалась. Эти частицы безуспешно пытались обнаружить в экспериментах на ускорителях. Однако Шварц и его парижский коллега Джоэл Шерк выдвинули смелую гипотезу, которая разрешила это затруднение и представила всю теорию струн в совершенно новом свете.

Теоретики много лет пытались найти квантовую версию общей теории относительности. Эта задача была и остается орешком особой твердости. Уравнения ОТО предсказывают существование гравитационных волн, которые при квантовании превращаются в гравитоны, переносчики силы тяготения. Практически все теоретики были согласны, что гравитонам положено обладать нулевой массой и двойным спином. И вот в 1974 году Шварц с Шерком заявили, что таинственная безмассовая частица струнной модели и есть гравитон! Отсюда следовало, что теория струн – это не метод описания сильных взаимодействий, а математический каркас для конструирования квантовой теории тяготения. Она не конкурент квантовой хромодинамике, ее задача – объединить все фундаментальные взаимодействия и стать Теорией Всего.

Столь неслабую заявку сначала почти никто не поддержал. Высказывалось мнение, что "струнники" потерпели неудачу на сильных взаимодействиях и теперь отчаянно пытаются найти для своей модели новое применение. к тому же Шварц и Шерк пришли к выводу, что длина струны должна составлять 10–33 см. С объектами таких размеров физика никогда не имела дела. Да еще в теории суперструн обнаружились пренеприятные аномалии, например нарушения закона сохранения энергии. И поэтому большинство теоретиков предпочло трудиться над объединением квантовой хромодинамики и теории электрослабых взаимодействий, которое в середине 1970-х привело к появлению успешной Стандартной модели элементарных частиц.

Но горсточка энтузиастов продолжала работать, и в конце концов к ним пришла удача. В 1984 году Джон Шварц и Майкл Грин доказали, что аномалии теории суперструн взаимно аннулируют друг друга. в результате интерес к ней возродился, и к середине 1990-х она уже существовала в пяти различных формулировках. Разнобой продержался недолго: в 1995 году Эдвард Виттен установил, что эти формулировки являются разными воплощениями единой суперструнной модели, которую он окрестил М-теорией (почему – не вполне ясно).

Одиннадцатое измерение

Виттен сделал даже больше. Точные уравнения теории суперструн сложны и плохо поддаются интерпретации, и физики предпочитали их приближенные версии. В некоторых формулировках теории струн появлялись предельные случаи, которые добавляли к ней еще одно пространственное измерение. Виттен показал, что это не случайность: теория суперструн с 10-мерным пространством-временем оказалась лишь аппроксимацией более полной 11-мерной структуры!

Этот результат привел к глубокой перестройке основ теории. Виттен, Пол Таунсенд и еще несколько физиков добавили к одномерным струнам пространственные многообразия с большим числом измерений. Двумерные объекты стали называть мембранами, или 2-бранами, трехмерные – 3-бранами, структуры с размерностью p – p-бранами. Теория струн превратилась в теорию бран произвольной размерности – от 1 до 9. Однако одномерные струны все равно остаются главными: именно их вибрации и проявляют себя в виде элементарных частиц. А вот браны ограничивают свободу струнных движений, причем только струн со свободными концами. Джозеф Полчински доказал, что оба конца таких струн всегда закреплены либо на одной и той же бране, либо на двух бранах, причем не обязательно одинаковой размерности. Замкнутые в кольца струны концов не имеют и могут гулять сами по себе, как кошка у Киплинга.

Узники 3-браны

Лишние шесть измерений. Их мы не воспринимаем, и они могут быть "свернуты", например, в пространстве Калаби-Яу

Это обстоятельство очень важно. Обычно пишут, что мы не ощущаем присутствия шести или семи дополнительных пространственных измерений из-за того, что они свернуты в ультрамикроскопические клубки (компактифицированы), которые все наши измерительные инструменты, от микроскопов до сверхмощных ускорителей, не отличают от геометрических точек. Такая интерпретация стандартна, но не обязательна: электроны, кварки и прочие частицы материи представлены струнами со свободными концами. Это справедливо и в отношении переносчиков электромагнитного взаимодействия (фотонов), сильного (глюонов) и слабого (W- и Z-бозонов). Если пространство нашей Вселенной – это 3-брана (что правдоподобно) и если все "наши" частицы укоренены в ней обоими концами, они не могут ее покинуть и уйти в другие многообразия. Выходит, что мы заперты в своем пространстве не из-за того, что из него некуда выйти, а потому, что оно нас от себя не отпускает. У пленников замка Иф шансов на побег было побольше...

Однако шансы прощупать высшие измерения все же имеются. Гравитоны – это закольцованные струны, и потому бранные границы им не помеха. Они могут покидать нашу 3-брану и уходить в другие измерения. Но если переносчики гравитации способны на это, то сила тяготения должна убывать с увеличением расстояния не по ньютоновскому закону обратных квадратов, а гораздо быстрее! То, что мы этого не замечаем, может свидетельствовать о компактификации дополнительных измерений, что всегда принимала "до-брановская" теория суперструн. В этом случае отклонения от ньютоновской формулы должны проявляться лишь на очень малых дистанциях. Пока что она проверена с точностью до 0,1 мм и аберраций не обнаружено. Так что можно предположить, что масштаб высших измерений значительно меньше. Однако есть и другие интерпретации. Семь лет назад гарвардский теоретик Лиза Рандалл и ее коллега Раман Сандрум пришли к выводу, что наша 3-брана в состоянии удерживать гравитоны своим собственным притяжением. Если это так, то внешние измерения могут быть хоть бесконечно большими, а закон Ньютона все равно будет выполняться на любых дистанциях.

В расцвете лет

Теории суперструн в этом году исполняется 35 лет. К чему она пришла и что еще надо сделать? Вот что считает один из самых активных и влиятельных "струнников" наших дней, профессор теоретической физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джозеф Полчински: "Теория струн, несмотря на свою странную историю, возникла не на пустом месте. Пусть ее созданию помог случай, но в то же время оно было неизбежным. Уверен, что этой теории суждено великое будущее. Главное ее достижение в том, что она открыла путь к построению квантовой теории гравитации. На второе место я бы поставил объединение в единой математической структуре всех четырех фундаментальных взаимодействий. Третий успех: теория струн дала возможность разделаться с большинством парадоксов, возникающих при конструировании квантовых моделей черных дыр. Четвертый: она чрезвычайно элегантно обогатила и расширила язык квантовой теории поля и всей математической физики. И наконец, в последние годы теория струн очень помогла современной космологии. В частности, позволила лучше обосновать и проработать концепцию множественного рождения различных вселенных, которую в рамках инфляционной космологии уже давно развивает Андрей Линде.

Что же касается проблем... Теория струн создавалась по частям, по кусочкам. Хотя сейчас мы понимаем ее гораздо лучше, чем раньше, мы еще не создали ключевые математические структуры, которые могли бы лечь в ее основу. Если квантовая механика и ОТО начались с общих уравнений, за которыми последовали приложения, то теория струн пока не нашла такой формулировки. Кроме того, неясно, как подтвердить ее экспериментально. Такие подтверждения в принципе могут прийти как со стороны космологии или астрофизических наблюдений, так и со стороны физического эксперимента. Однако пока теория струн не дает проверяемых предсказаний.

Есть и еще одна специфическая проблема. Издавна считалось, что окончательная теория микромира позволит вывести из первых принципов основные характеристики фундаментальных взаимодействий и частиц – скажем, заряд и массу электрона. Однако из концепции мультивселенной следует существование гигантского разнообразия миров с непохожими физическими законами. В этом случае физические параметры именно нашей Вселенной в принципе невычислимы, поскольку возникли случайным образом, за счет квантовых флуктуаций, запустивших процесс ее рождения. в общем, здесь нет ничего необычного, квантовая механика давно установила, что всё предсказать невозможно. Однако физики-теоретики несколько десятилетий надеялись когда-нибудь окончательно объяснить устройство нашего мира, и отказ от этого идеала многих шокирует.

Я надеюсь, что со временем мы сможем сказать, какие его черты чисто случайны, а какие вытекают из тех или иных глубоких закономерностей рождения вселенных, пока еще нами не понятых. Но вот произойдет ли это через десять или пятьдесят лет, судить я не берусь".

Перспективы

В рамках М-теории выполнены работы, которые привели к переоценке протяженности струн. Несколько теоретиков пришли к выводу, что верхний предел длин невозбужденных струн составляет не 10–33 см, а "всего лишь" 10–16см. Конечно, и эта величина весьма мала даже по стандартам мира элементарных частиц, но в конце концов она только тысячекратно уступает размеру протона. Такая оценка увеличивает шансы обнаружить проявления струнной природы частиц в экспериментах на ускорителях следующего поколения.

Из струнной модели выводится и вся классическая релятивистская теория тяготения, общая теория относительности. Виттен как-то заметил, что, если бы ОТО не создал Эйнштейн, она вполне могла бы появиться как побочный продукт теории суперструн. А в 2003 году Андрей Линде и его коллеги получили еще один сильный результат: они показали, что теория струн дает возможность ввести в эйнштейновское уравнение энергию физического вакуума, плотность которой лишь очень ненамного превышает нуль. Добавка этого слагаемого позволяет объяснить увеличение скорости расширения Вселенной, которое было открыто в прошлом десятилетии.

Таким образом, теория струн должна рассматриваться как развивающееся направление, первые результаты которого уже продемонстрировали поразительное проникновение в сущность пространства, времени и материи. Главным успехом является гармоничный союз общей теории относительности и квантовой механики. Далее, в отличие от всех предшествующих теорий, теория струн отвечает на основополагающие вопросы, относящиеся к наиболее фундаментальным составным частям и взаимодействиям в природе. Не менее важным, хотя это труднее передать, является замечательное изящество как ответов, которые дает теория, так и самой теоретической основы, позволяющей получать эти ответы. Например, в теории струн многие аспекты мироздания, которые могут показаться произвольными техническими деталями, такие, как число независимых фундаментальных частиц и их свойства, являются следствием неотъемлемых характеристик геометрии Вселенной. Если теория струн справедлива, микроскопическая структура нашей Вселенной представляет собой сложно переплетенный, многомерный лабиринт, в котором струны Вселенной бесконечно закручиваются и вибрируют, ритмично отбивая законы космоса. Свойства основных кирпичиков мироздания, — будучи совсем не случайными, — глубоко связаны со структурой пространства и времени.

В конечном счете, однако, ничто не может заменить четко определенных, поддающихся проверке предсказаний, которые смогут показать, действительно ли теория струн в состоянии поднять завесу тайны, скрывающую глубочайшие истины нашей Вселенной. Может пройти некоторое время, прежде чем наш уровень понимания достигнет глубины, достаточной для достижения этой цели, хотя, экспериментальные проверки могут дать сильную и всестороннюю поддержку теории струн в течение ближайшего десятилетия. Более того, теория струн недавно позволила решить одну из центральных проблем черных дыр, связанную с так называемой энтропией Бекенштейна— Хокинга, задачу, которая более двадцати пяти лет упорно сопротивлялась решению более традиционными методами. Этот успех убедил многих в том, что теория струн дает глубочайшее понимание того, как устроена Вселенная.

Эдвард Виттен, один из первопроходцев и ведущих специалистов в теории струн, подытожил современную ситуацию, сказав, что «теория струн — это часть физики двадцать первого века, случайно попавшая в двадцатый век», повторив оценку, впервые высказанную выдающимся итальянским физиком Даниэлем Амати. В некотором смысле случилось так, как если бы нашим предкам в конце XIX столетия преподнесли современный суперкомпьютер, но не дали руководства по его эксплуатации. Используя метод проб и ошибок, можно было бы оценить мощь суперкомпьютера, но для того, чтобы достичь подлинного мастерства, потребовались бы энергичные и продолжительные усилия. Признаки мощи компьютера, как проблески способности теории струн давать объяснения, могут быть причиной очень сильной мотивации к овладению всем устройством. Подобная мотивация сегодня подстегивает поколение физиков-теоретиков в стремлении добиться полного и точного аналитического понимания теории струн.

Замечание Виттена и схожие высказывания других специалистов в этой области указывают на то, что могут пройти десятилетия или даже столетия, прежде чем теория струн будет полностью разработана и осознана. Это вполне может оказаться правдой. В действительности математический аппарат теории струн столь сложен, что сегодня никто даже не знает точных уравнений этой теории. Вместо этого физики используют лишь приближенные варианты этих уравнений, и даже эти приближенные уравнения столь сложны, что пока поддаются только частичному решению. Тем не менее, вдохновляющие прорывы конца 1990-х гг., которые позволили дать теоретические ответы на вопросы невиданной доселе трудности, могут быть признаком того, что полное понимание теории струн на количественном уровне гораздо ближе, чем считалось первоначально. По всему миру физики разрабатывают новые мощные методы, далеко превосходящие использовавшиеся до сих пор многочисленные приближенные методы, коллективно собирая вместе разрозненные элементы головоломки теории струн с обнадеживающей скоростью.

Прогресс в науке осуществляется скачками. Одни периоды наполнены великими прорывами, в другие времена исследователи остаются без улова. Ученые получают новые теоретические и экспериментальные результаты. Они обсуждаются научным сообществом, иногда отвергаются, иногда модифицируются, а иногда служат отправной точкой для скачков в разработке новых и более точных методов понимания физического мира. Иными словами, наука движется в направлении того, что, как мы надеемся, будет окончательной истиной, по зигзагообразному пути, который начался с самых первых попыток человечества познать мироздание, и конец которого мы не можем предсказать. Нам неизвестно, является ли теория струн промежуточной остановкой на этом пути, или важным поворотным пунктом, или конечным пунктом назначения. Однако исследования, проводившиеся в течение последних двадцати лет сотнями физиков и математиков из многих стран, дали нам обоснованную надежду, что мы на правильном пути и, возможно, вышли на финишную прямую.

Алексей ЛЕВИН