Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ТЕОРИЯ СТРУН

ТЕОРИЯ СТРУН

В отличие от авторов моделей, физики–теоретики с большей склонностью к математике пытаются работать, отталкиваясь от чистой теории. Каждый из нас надеется начать с единственной элегантной теории; лишь разобрав по косточкам все ее последствия, еле- дует попытаться применить полученные закономерности к экспериментальным данным. Почти любая попытка создания единой теории воплощает в себе такой подход, и теория струн здесь не исключение; это, возможно, самый показательный пример. Это попытка при помощи чисто теоретических рассуждений вывести наиболее фундаментальные принципы, из которых в принципе следуют все известные физические явления.

Специалисты по теории струн делают громадный скачок, перепрыгивая по физической шкале сразу от масштаба слабого взаимодействия к планковскому масштабу, при котором гравитация становится сильной. Маловероятно, что в обозримом будущем эти идеи удастся непосредственно проверить в эксперименте (хотя многомерные модели, описанные в предыдущей главе, могут стать приятным исключением). Но, несмотря на то что саму теорию струн проверить очень сложно, ее элементы порождают в умах теоретиков мысли и концепции, которые вполне могут войти в потенциально наблюдаемые модели.

Выбирая между теорией струн и строительством моделей, физики, по существу, задаются философским вопросом и выбирают между подходом Платона, который пытался проникнуть в суть зе- щей, опираясь на фундаментальные истины, и Аристотеля, исходившего из эмпирических наблюдений. Какой подход выбрать — «сверху вниз» или «снизу вверх»? Этот выбор можно сформулировать и иначе. Кто лучше — молодой Эйнштейн или старый? Первоначально Эйнштейн проводил мысленные эксперименты, основанные на реальных физических ситуациях. Тем не менее он также ценил красоту и элегантность. Даже когда экспериментальные результаты противоречили его мыслям о специальной теории относительности, он уверенно (и, как выяснилось в конце концов, верно) решал, что эксперимент ошибается, потому что его следствия были бы слишком некрасивыми и доверия не вызывали.

Эйнштейн стал склоняться к математическому подходу после того, как математика помогла ему завершить общую теорию относительности. Поскольку математические построения оказались необходимы для завершения его теории, позже Эйнштейн стал относиться к теоретическим методам с большим доверием. Однако пример Эйнштейна не позволяет сделать однозначный выбор: ведь, несмотря на успешное применение математики при создании общей теории относительности, более поздние математические поиски единой теории поля успехом не завершились.

Теория великого объединения, предложенная Говардом Джорджи и Шелдоном Глэшоу, также была основана на подходе «сверху вниз». Вообще, подобные теории, как правило, базируются на реальных данных — при их создании авторы опираются на конкретный набор частиц и взаимодействий, существующих в Стандартной модели, а также на силу взаимодействий. Но при этом теория экстраполирует происходящее от того, что нам достоверно известно, до того, что, возможно, происходит на очень отдаленных от нас масштабах энергий.

Интересно, что хотя Великое объединение взаимодействий должно произойти на значительно более высоких энергиях, чем те, что могут быть достигнуты в ускорителях частиц, даже первоначальная модель теории позволяла прогнозировать потенциально наблюдаемые события. Так, модель теории Великого объединения Джорджи — Глэшоу предсказывала, что протон должен распадаться. Распад протона — редкое событие, но экспериментаторы проанализировали гигантский объем информации с надеждой найти видимый след хотя бы одного протонного распада. Когда этого не произошло, первоначальная теория Великого объединения была отвергнута.

С тех пор ни Джорджи, ни Глэшоу не работали над теориями, построенными «сверху вниз» и позволяющими сделать громадный скачок от энергий, которые мы можем непосредственно наблюдать в ускорителях, к энергиям, настолько от нас далеким, что происходящее там может давать лишь очень слабые экспериментально наблюдаемые следствия или, что еще вероятнее, не давать вообще никаких. Эти ученые решили, что шансы угадать принципы, действующие на много порядков дальше, чем все наблюдаемые в нашем мире явления, что мы непосредственно наблюдаем, просто ничтожны.

Несмотря на скепсис Джорджи и Глэшоу, многие физики решили, что разбираться с некоторыми сложными теоретическими вопросами можно только на основании подхода «сверху вниз». Специалисты по теории струн выбрали для себя область деятельности, которая не является в строгом смысле наукой, но уже породила множество интереснейших, хотя и противоречивых идей. Эти люди в какой?то степени разобрались в своей теории, но по большей части до сих пор заняты складыванием головоломки — ищут ключевые фундаментальные принципы и одновременно развивают свои радикальные идеи.

Рассматривать теорию струн как теорию гравитации их заставляют не конкретные экспериментальные данные, а теоретические загадки. Теория струн предлагает естественного кандидата на роль гравитона; в то же время квантовая механика говорит нам, что такая частица должна существовать и передавать гравитационное взаимодействие. В настоящее время эта теория — ведущий кандидат на роль полностью непротиворечивой теории квантовой гравитации — теории, в которую должны войти и квантовая механика, и общая теория относительности Эйнштейна и которая должна работать на всех представимых энергетических масштабах.

Физики могут использовать известные теории для надежного прогнозирования на малых расстояниях: к примеру, внутри атома, где квантовая механика играет огромную роль, а сила тяготения пренебрежимо мала. Поскольку гравитация почти не оказывает действия на частицы атомного масштаба масс, мы вполне можем учитывать только квантовую механику, а тяготение со спокойной совестью игнорировать. Кроме того, физики могут уверенно прогнозировать явления на больших расстояниях: к примеру, в пределах размеров галактик, где гравитация играет решающую роль, а квантовой механикой можно спокойно пренебречь[56].

Однако у нас нет теории, которая включала бы одновременно и квантовую механику, и гравитацию и работала бы на всех возможных энергиях и расстояниях. В частности, мы не знаем, как проводить расчеты на по–настоящему громадных энергиях и чрезвычайно малых расстояниях, сравнимых с энергией или длиной Планка. Поскольку на более тяжелые и энергичные частицы гравитация влияет сильнее, для частиц с массой порядка массы Планка она будет играть существенную роль. А на крохотной планковской длине будет очень заметно влияние квантовой механики.

Эта проблема ни в коем случае не снижает ценности вычислений, проведенных для наблюдаемых явлений — по крайней мере для любых явлений в БАКе, — но она означает, что теоретическая физика на данный момент неполна. Физики пока не знают, как непротиворечиво включить квантовую механику и гравитацию на чрезвычайно высоких энергиях и малых расстояниях, где влияние обоих взаимодействий примерно одинаково важно для прогнозов и ни одним из них нельзя пренебречь. Этот важный пробел в наших знаниях о мире потенциально способен указать нам путь вперед. Многие считают, что теория струн может быть решением проблемы.

Название «теория струн» происходит от фундаментальных осциллирующих струн, лежавших в основе первоначальной формулировки теории. Частицы в теории струн существуют, но возникают в результате колебаний струны. Различные частицы соответствуют различным колебаниям — примерно так же, как вибрации одной и той же скрипичной струны могут рождать разные ноты. В принципе, экспериментальным доказательством теории струн должно стать обнаружение новых частиц, соответствующих многочисленным дополнительным модам вибрации струны.

Однако в большинстве своем такие частицы, скорее всего, окажутся слишком тяжелыми, чтобы мы когда?нибудь смогли их непосредственно наблюдать; именно поэтому так трудно экспериментально проверить, действительно ли теория струн верно описывает природу. Уравнения теории струн описывают объекты настолько невероятно крохотные и обладающие при этом такой невероятно высокой энергией, что никакой детектор, который мы в состоянии себе хотя бы вообразить, не способен их зарегистрировать. Теория определена на масштабе энергий, которые примерно в десять миллионов миллиардов раз превосходят все, что мы можем экспериментально исследовать при современном уровне техники. А ведь в настоящее время мы не знаем даже, что произойдет при увеличении энергии столкновения частиц в коллайдере всего на один порядок — в 10 раз.

Специалисты по теории струн не могут точно предсказать, что происходит на экспериментально достижимом диапазоне энергий, потому что содержимое и другие свойства частиц в теории струн зависят от пока не установленной конфигурации фундаментальных составляющих. Следствия теории струн в природе зависят от того, как организованы элементы. В современной формулировке теория струн содержит больше частиц, взаимодействий и измерений, чем мы наблюдаем в окружающем нас мире. Что же тогда отличает видимые частицы, взаимодействия и измерения от невидимых?

Пространство в теории струн — это не обязательно то трехмерное пространство, которое мы видим вокруг себя. Вместо этого формулы теории струн описывают шесть или семь дополнительных пространственных измерений. Работоспособная версия теории струн должна объяснять, чем невидимые дополнительные измерения отличаются от трех известных нам. Как бы интересна и замечательна ни была теория струн, ее загадочные особенности, такие как несколько дополнительных измерений, затрудняют ее привязку к реальной действительности и видимой Вселенной.

Чтобы перейти от высоких энергий, для которых определена теория струн, к прогнозам в измеримых диапазонах энергий, необходимо выяснить, как будет выглядеть оригинальная теория без самых тяжелых частиц. Существует немало возможных проявлений теории струн в достижимом диапазоне энергий, но мы пока не знаем, как различить между собой громадное число возможных вариантов или хотя бы выделить среди них вариант, похожий на наш мир. Проблема в том, что мы пока недостаточно хорошо понимаем теорию струн, чтобы предсказать ее следствия в видимом диапазоне энергий. Сложность теории мешает нам делать точные прогнозы. Мало того, что она ставит перед нами сложнейшие математические задачи; иногда вообще не ясно, как правильно организовать ингредиенты теории струн и определить, какую именно математическую задачу следует решать.

Помимо всего прочего, мы теперь знаем, что теория струн гораздо сложнее, чем первоначально считалось, и включает в себя множество других ингредиентов с разными размерностями — бран. Название «теория струн» продолжает использоваться, но физики говорят также об М–теории, хотя никто достоверно не знает, что в этом названии означает буква М.

Теория струн — величественное сооружение, которое уже помогло нам открыть для себя новые глубины математики и физики, и она вполне может содержать в себе кусочки верного фундаментального описания природы. К несчастью, громадная теоретическая пропасть отделяет эту теорию в ее современном виде от возможности прогнозировать на ее основе явления нашего мира.

В конечном итоге, если теория струн верна, то все модели, описывающие явления реального мира, должны выводиться из ее фундаментальных принципов. Но нынешняя формулировка этой теории абстрактна, а ее связь с наблюдаемыми явлениями очень слаба. Нам очень повезет, если удастся найти верные физические принципы, с учетом которых теоретические предсказания теории струн будут соответствовать нашему миру. Это, разумеется, конечная цель теории струн, но задача эта невероятно сложна.

Хотя элегантность и простота могут быть отличительными чертами верной теории, по–настоящему судить о ее красоте мы можем лишь тогда, когда достигнем достаточно полного понимания принципов ее работы. Выяснение того, как и почему природа прячет дополнительные измерения теории струн, стало бы поразительным достижением. Физики очень хотят понять, как это происходит.