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

Теперь, когда мы добрались в нашем историческом путешествии до сегодняшних дней, позвольте сделать отступление и рассказать о двух типах столкновений, упомянутых ранее.

Благодаря циклопической экспериментальной установке, построенной недалеко от Женевы, известной под именем Большого адронного коллайдера (БАК), столкновения протонов ещё долго будут оставаться в главном фокусе физики высоких энергий. БАК ускоряет летящие по кругу пучки протонов и сталкивает их лоб в лоб со скоростью, близкой к скорости света. Этот тип столкновений хаотичный и неуправляемый. Экспериментаторы пытаются зафиксировать редкие события, приводящие к рождению очень массивных нестабильных частиц. Одной из таких частиц является знаменитый бозон Хиггса, отвечающий, в частности, за наличие массы у электрона. Суперсимметрия предсказывает существование и многих других частиц, которые (если будут обнаружены) послужат наиболее убедительным свидетельством в пользу того, что теория струн — это правильный путь. Существует также весьма отдалённая перспектива, что протон-протонные столкновения породят микроскопические чёрные дыры, последствия распада которых можно непосредственно наблюдать.

При столкновениях тяжёлых ионов используются «ободранные» до самого ядра от всех электронов атомы золота и свинца, разгоняемые в том же ускорителе, что и протоны. Столкновения тяжёлых ионов порождают ещё больший хаос, чем столкновения протонов. При этом считается, что протоны и нейтроны, составляющие ядра, «расплавляются» в составляющие их глюоны и кварки. Образовавшаяся субстанция из кварков и глюонов расширяется, охлаждается и вновь «конденсируется» в частицы, которые фиксируются детекторами. Эта субстанция называется кварк-глюонной плазмой. Теория струн усматривает связь кварк-глюонной плазмы с чёрными дырами. Только дуальность чёрной дыры и кварк-глюонной плазмы проявляется не в привычном четырёхмерном пространстве-времени, а в искривлённом пятимерном пространстве. Следует подчеркнуть, что связь теории струн с реальным миром чисто спекулятивная. Суперсимметрия может просто отсутствовать в нём, и кварк-глюонная плазма, создаваемая БАК, может вести себя совсем не так, как пятимерная чёрная дыра. Струнные теоретики вместе с теоретиками других мастей делают свои ставки и, затаив дыхание, следят за крутящимися в коллайдере частицами, способными как оправдать, так и разрушить их надежды.

Эта книга построена на некоторых базовых идеях современной теории струн и последующем обсуждении её возможного применения к физике высоких энергий. Теория струн покоится на двух основаниях: квантовой механике и теории относительности. От этих двух оснований, как от двух сросшихся стволов дерева, отходят многочисленные ветви, образующие настолько обширную крону, что трудно уделить должное внимание даже её небольшой части. Темы, обсуждаемые в этой книге, представляют собой лишь срез теории струн, что в какой-то степени позволяет избежать углубления в математические дебри. Выбор темы также отражает мои предпочтения и предубеждения и, вероятно, даже границы моего понимания предмета.

Другой особенностью книги является то, что она посвящена физике, а не физикам. Я постараюсь рассказать вам о том, что я сам знаю лучше всего, — о теории струн, но не стану рассказывать о людях, участвовавших в её создании (сразу скажу, что это был не я). Чтобы проиллюстрировать всю сложность рассказа о физиках, имеющих отношение к той или иной идее, зададимся простым вопросом: кто создал теорию относительности? Альберт Эйнштейн, не правда ли? Да. Но если мы остановимся на одном этом имени, мы потеряем целый пласт истории физики. Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре проделали огромную работу, предвосхитившую результаты Эйнштейна. Герман Минковский придумал математическую систему координат, которая легла в основу специальной теории относительности. Давид Гильберт независимо создал математическую основу для общей теории относительности. Безусловно, заслуживают упоминания и такие важные фигуры, как Джеймс Клерк Максвелл, Джордж Фицджеральд, Джозеф Лармор, так же как и более поздние первопроходцы — Джон Уилер и Субраманьян Чандрасекар. Развитие квантовой механики шло более сложным и извилистым путём, поэтому здесь нет столь яркой фигуры, как Эйнштейн, возвышающейся одиноким столпом над остальными, — скорее многочисленная интернациональная армия, в рядах которой были Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Эрнест Резерфорд, Нильс Бор, Луи де Бройль, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер, Поль Дирак, Вольфганг Паули, Паскуаль Йордан и Джон фон Нейман, вносившие каждый свой существенный вклад в общее дело, причём часто сражаясь друг против друга. А если бы я посягнул на расстановку приоритетов и оценку личного вклада каждого из участников в создание теории струн, то такая попытка отодвинула бы на второй план главную идею, ради которой задумывалась эта книга, — рассказать о новой теории.

Цель первых трёх глав книги — ввести читателя в курс тех идей, которые являются основополагающими для понимания теории струн, но не являются её составной частью. Три из них — сохранение энергии, квантование и релятивизм — более важны, чем сама теория струн, поскольку имеют непосредственное отношение к описанию реального мира. Глава 4, посвящённая введению в теорию струн, станет первым шагом в неведомое. Хотя я и попытаюсь в 4-й, 5-й и 6-й главах, насколько сумею, представить теорию струн, D-браны и дуальность теории струн как разумные и хорошо аргументированные теоретические построения, факт остаётся фактом: они не имеют экспериментальных доказательств правомерности их применения для описания реального мира. Главы 7 и 8 посвящены современным попыткам пристроить теорию струн для описания результатов экспериментов по столкновению высокоэнергетичных частиц. Суперсимметрия, дуальности и чёрные дыры в пятимерном пространстве призваны объяснить, что происходит и что может произойти с частицами в ускорителях.

В разных местах этой книги я упоминаю значения различных физических величин, такие как энергия, выделяющаяся при ядерном синтезе, или релятивистское замедление времени у олимпийского спринтера. Одной из причин, по которым я это делаю, является то, что физика — точная наука и в ней численная мера всех вещей имеет первостепенное значение. Однако физиков часто интересует лишь приблизительное значение или порядок физической величины. Например, я пишу, что величина замедления времени для спринтера составляет порядка 1/1015, хотя, если быть точным, то на скорости 10 метров в секунду замедление времени составляет 1/1,8×1015. Читатели, которым нужны более точные значения и более подробные математические выкладки, смогут найти их на веб-страничке http://press.princeton.edu/titles/9133.html.

Куда же ведёт нас теория струн? Она, как кандидат в президенты на трибуне, обещает. Обещает объединить гравитацию и квантовую механику. Обещает дать нам единую теорию, объединяющую все силы взаимодействия. Обещает новое понимание пространства, времени и дополнительных измерений, в том числе ещё не открытых. Обещает объяснить связь столь непохожих феноменов, как чёрные дыры и кварк-глюонная плазма. Воистину теория струн — это весьма «многообещающая» теория!

Смогут ли струнные теоретики когда-либо выполнить все эти обещания? На самом деле многое из обещанного уже выполнено. Теория струн предлагает элегантную цепочку рассуждений, приводящую нас от квантовой механики к общей теории относительности. В общих чертах я расскажу об этих рассуждениях в четвёртой главе. Теория струн даёт нам черновой набросок описания всех взаимодействий в природе. Этот набросок я обрисую в главе 7 и расскажу о трудностях, возникающих при попытке уточнения предлагаемого описания. И как я расскажу в главе 8, расчёты, выполненные с помощью теории струн, уже сегодня могут быть проверены в ускорителях на столкновениях тяжёлых ионов.