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

Один из фактов, в которых мы уверены, заключается в том, что мир не является идеально суперсимметричным. Если бы в этом мире существовал бозон с такой же массой и зарядом, как у электрона, мы бы, несомненно, знали о нём, потому что существование такого бозона в корне изменило бы структуру атома. Возможно, существует какой-то механизм, подобный механизму конденсации тахионов, нарушающий суперсимметрию. Если идея существования это странной новой симметрии заставляет вас чувствовать себя идущим по зыбучим пескам, я в этом не виноват. Как и большая часть теории струн, суперсимметрия является плодом длинной цепочки спекулятивных рассуждений теоретиков и не имеет под собой надёжной экспериментальной опоры.

Если гипотеза суперсимметрии и фермионных измерений подтвердится экспериментально на Большом адронном коллайдере, это будет триумф чистого разума — реванш за все предыдущие насмешки скептиков. Впрочем, не исключено, что правы окажутся скептики. Откровенно говоря, я не удивлюсь любому исходу.

Вот краткий обзор канонических идей относительно того, каким образом теория струн может описывать реальный мир. В наиболее распространённом сегодня варианте теории струн мир описывается как десятимерный. Естественно, я имею в виду теорию суперструн, которая помимо этого содержит ещё несколько фермионных измерений, но их мы пока оставим за скобками. Шесть из этих десяти измерений свёрнуты или, как говорят теоретики, компактифицированы. Наиболее предпочтительным способом компактификации является использование суперсимметрии совместно с формализмом мировых листов. Масштаб свёрнутых измерений очень мал, возможно, он всего в несколько раз больше, чем характерный масштаб колебаний струны. Все обертоны столь массивны, что даже при энергиях, достижимых в экспериментах БАК, они не играют существенной роли, таким образом, основная информация, которую мы получаем в ходе экспериментов, касается наинизших колебательных мод струн. В некоторых теоретических сценариях существуют D-браны или другие браны, которые слегка «приправляют» суперструнное блюдо дополнительными измерениями, что приводит к появлению дополнительных квантовых состояний, которые могут быть обнаружены в БАК-экспериментах.

После того как мы компактифицировали шесть дополнительных измерений, самое время задаться вопросом: к какой реально наблюдаемой четырёхмерной физике приводит нас получившаяся картина? В нашем блюде всегда будет присутствовать гравитация и, кроме неё, как правило, ещё одна калибровочная теория, неотличимая от квантовой хромодинамики. Гравитация порождается безмассовыми состояниями струн, которые квантово-механически приправлены дополнительными шестью измерениями. Калибровочная теория порождается либо такими же, слегка приправленными дополнительными измерениями, струнными состояниями, либо дополнительными состояниями, связанными с бранами.

Четырёхмерная гравитация — это великолепно. Это именно то, что описывает общая теория относительности. А вот ответ на вопрос, является ли получившаяся теория «теорией всего», зависит от того, насколько хорошо получившаяся калибровочная теория предсказывает поведение субатомных частиц, которые мы наблюдаем в экспериментах на ускорителях. Чтобы лучше разобраться в калибровочной теории, вспомним, что в предыдущей главе мы описывали калибровочную симметрию квантовой хромодинамики в терминах трёх цветов: красного, зелёного и синего. Теория, являющаяся наиболее перспективным кандидатом на роль теории всего: кварков, глюонов, электронов, нейтрино и прочих частиц, — содержит как минимум пять цветов. Есть несколько способов «прикрутить» эти пять цветов к конструкции струнной теории. Мы не способны экспериментально зафиксировать именно такое количество цветов, но существует нечто, что может помочь нам отличить два дополнительных цвета от трёх известных. Это что-то может быть похоже, например, на бозон Хиггса, но есть и другие идеи. Чтобы представить, откуда могут взяться именно пять цветов, перечислим известные нам фундаментальные частицы, являющиеся фермионами. Их три: кварки, электроны и нейтрино. Кварки могут иметь три различных цвета, а электрон и нейтрино только по одному. Три плюс один плюс один будет пять. Вот видите: всё очень просто.

После того как поднятая строителями струнных конструкций пыль оседает, оказывается, что получившиеся теории прекрасно согласуются с экспериментами. Как правило, эти теории требуют существования суперсимметрии и содержат не один бозон Хиггса, а два и в довесок к нему ещё целый ряд частиц, масса которых сопоставима с массой бозона Хиггса. Также они предсказывают наличие очень малой массы у нейтрино и включают гравитацию в том виде, как её описывает общая теория относительности. В общем, всё это весьма впечатляет. Ведь и правда: ни одна другая теоретическая основа фундаментальной физики не предоставляет нам всех необходимых для приготовления теории ингредиентов и не обеспечивает их правильного взаимодействия. Если струнные теоретики каким-то образом случайно попали в десятку, то теория струн действительно окажется теорией всего, то есть будет описывать все фундаментальные частицы, все взаимодействия между ними и все наблюдаемые типы симметрии. Нам же не останется ничего другого, кроме как решать уравнения этой теории и предсказывать все измеримые в физике элементарных частиц величины: от массы электрона до силы взаимодействия между глюонами.

Тем не менее на пути создания теории всего по-прежнему стоит ряд трудностей. Многое зависит от размера и формы дополнительных измерений. Мы до сих пор не понимаем, почему эти дополнительные измерения не могут быть плоскими. Другими словами, мы не понимаем, что за таинственная сила удерживает наш мир в четырёхмерном состоянии, не давая ему развернуться во всех десяти измерениях. По другой версии, когда-то, на заре существования Вселенной, все измерения были компактифицированы, а потом по какой-то причине только трём из девяти пространственных измерений удалось развернуться в привычный нам мир. Никто не может объяснить, почему дополнительные измерения имеют именно ту форму, которую имеют. Вдобавок ко всему эти измерения, как правило, вялые. Чтобы вы поняли, что я имею в виду, вспомним ещё раз разговор о клубке D0-бран. Он тоже обладает определённой вялостью, каждая D0-брана в нём очень слабо связана с остальными, и практически ничто не мешает ей улететь прочь, а D0-браны снаружи клубка не притягиваются к нему и не отталкиваются от него. Вялость дополнительных измерений означает, что они могут менять свой размер и форму с такой же лёгкостью, как D0-браны могут покидать упомянутый клубок.

Мир теории струн. Обычные четыре измерения (вверху) медленно расходятся с течением времени, обеспечивая расширение Вселенной. Шесть дополнительных измерений (внизу) удерживаются в свёрнутом состоянии обёрнутыми вокруг них бранами, магнитными полями и квантовыми эффектами

На то, чтобы придумать механизм, каким-то образом закрепляющий дополнительные измерения и не дающий им вести себя как попало, было потрачено много времени и усилий струнных теоретиков. Обычно для этого пытаются приспособить браны и магнитные поля. Роль бран представить достаточно просто. Они сродни шпагату, которым перевязывают посылку на почте; трудность состоит в том, что эта посылка мягкая. При попытке связать её она начинает выпирать в разные стороны при затягивании шпагата, и для сохранения формы приходится перевязывать её многократно в разных направлениях. Магнитные поля играют роль плотной упаковочной бумаги, придающей посылке относительную жёсткость.