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

Итоговая картина мира оказывается весьма сложной. Вероятно, существует множество способов связать дополнительные измерения, предохранив их от развёртывания, но наличие такого большого числа вариантов в некоторых случаях рассматривается как положительная черта модели из-за так называемой проблемы космологической постоянной. Вкратце проблема состоит в следующем: при наличии ненулевой космологической постоянной три пространственных измерения стремятся с течением времени «расходиться». Из астрономических наблюдений мы знаем, что большинство галактик разбегаются в разные стороны, и это интерпретируется как расширение пространства. Существование космологической постоянной приводит к тому, что это расширение становится ускоренным. Наблюдения, выполненные в течение последних десяти лет, свидетельствуют о том, что расширение Вселенной действительно ускоряется со временем, что может быть объяснено существованием очень малой космологической постоянной. Если мы хотим описать мир с позиций теории струн, то нужно придумать механизм, который, с одной стороны, удерживал бы шесть скрытых измерений в свёрнутом состоянии и не давал им двигаться, а с другой — обеспечивал бы трём развёрнутым пространственным измерениям слабую возможность расширяться, причём расширяться с ускорением. Я не стану объяснять здесь, почему это так, но похоже, что число способов связать нужным образом дополнительные измерения чрезвычайно велико. Согласно некоторым струнным теоретикам, такое множество вариантов гарантирует, что среди них найдётся хотя бы один, описывающий наш реальный мир с идеальной точностью, включая существование космологической постоянной именно такой величины, как мы наблюдаем. Наша Вселенная с этой точки зрения является единственной среди множества возможных вселенных, в которой дополнительные измерения связаны именно таким способом. В противном случае разумная жизнь во Вселенной не могла бы существовать. С другой стороны, наше существование является причиной, по которой мы наблюдаем именно такую Вселенную, потому что другие вселенные наблюдать просто некому. Лично я нахожу этот аргумент достаточно убедительным, чтобы признать правильность теории струн.

Струнные теоретики прошли суровую закалку, пытаясь на протяжении более чем двадцати лет приготовить теорию всего, и не последнюю роль в этом сыграла проблема свёрнутых измерений. Но чем лучше мы узнаём теорию струн, тем больше проблем она ставит перед нами, и это удручает. Возможно, стоит сравнить трудности, возникающие при попытках описать реальный четырёхмерный мир на основе теории струн, с трудностями, возникшими в другой области теоретической физики — высокотемпературной сверхпроводимости. Открытая в 1986 году, высокотемпературная сверхпроводимость позволяет передавать большие электрические мощности без потерь энергии. Эпитет «высокотемпературная» здесь, конечно, не слишком удачен, поскольку при этих температурах замерзает даже воздух, но они гораздо выше тех температур, при которых эффект сверхпроводимости наблюдался ранее, и это очень важно для его промышленного использования. Теоретически, однако, очень трудно понять, как работает высокотемпературная сверхпроводимость. Существующая теория, известная с 1950-х годов, объясняет обычную сверхпроводимость, и она основана на эффекте образования электронных пар. Сила, удерживающая электроны в парах, основана на... звуке! Электроны как бы «разговаривают» друг с другом на расстояниях, во много раз превышающих размер атома, а затем согласовывают своё движение таким образом, чтобы избежать потерь энергии. Мистика. Но весьма хрупкая, потому что тепловое движение мешает спариванию электронов: при повышении температуры электроны уже не могут «перекричать» шум теплового движения и «услышать» друг друга. Считается, что описание 1950-х годов, в котором электроны координируют свои действия посредством звуковых волн, не годится для высокотемпературных сверхпроводников. Электроны, вероятно, по-прежнему образуют пары в этих материалах, но на гораздо меньшем расстоянии и связываются гораздо более сильным образом. Возможно, определённую роль играет особая мелкозернистая структура среды. Существует ряд теоретических предположений о том, как это может происходить, но мне кажется, что в целом проблема пока не решена.

Решённая или нет, но проблема высокотемпературной сверхпроводимости даёт несколько хороших уроков теории струн. Главный из них состоит в том, что одних только теоретических выкладок зачастую недостаточно. Высокотемпературная сверхпроводимость была открыта экспериментально, в то время как теоретики до сих пор не в состоянии дать удовлетворительное объяснение этому явлению. Правильная теория реального мира может быть весьма далека от того, что мы способны вообразить. Хрупкость электронных пар, удерживаемых звуковыми волнами, напоминает мне вялость дополнительных измерений, едва удерживаемых в свёрнутом состоянии. Не исключено, что «настоящая» теория струн, описывающая реальный мир, так же сильно отличается от конструкции, в которой дополнительные измерения связаны бранами и скреплены магнитными полями, как современное объяснение сверхпроводимости отличается от теоретических построений 1950-х годов. И процесс её построения может затянуться.

В пятой главе я упомянул длинный список известных элементарных частиц: фотоны, гравитоны, электроны, кварки (шесть разновидностей!), глюоны, нейтрино и ещё несколько других. Говоря о полном списке, стоит отметить, что он включает множество различных частиц с совершенно разными свойствами, участвующих в различных взаимодействиях. Факт существования такого списка с мольбой взывает к новой универсальной теории, которая содержала бы лишь несколько элементарных объектов и объясняла бы физические взаимодействия на более глубоком уровне. Для объяснения закономерностей периодической таблицы химических элементов потребовалось создание теории строения атома. Гелий, аргон, калий и медь столь же различны, сколь и типы химических реакций, в которые они вступают. Но теория строения атома показала, что все химические элементы состоят из электронов, находящихся в определённых квантовых состояниях и колеблющихся около атомных ядер, состоящих из протонов и нейтронов. Длинный список элементарных частиц может быть объяснён теорией струн, но сама теория струн в свою очередь тоже успела обзавестись целым выводком разнообразных объектов: D-бранами, солитонными 5-бранами, M-бранами и т. п., — и никто не знает, как можно и можно ли вообще придумать для описания этих объектов более общую теорию, вскрывающую новый уровень, следующий за уровнем дуальностей теории струн.

Столкновение двух протонов в БАК может родить бозон Хиггса. В изображённом на рисунке процессе бозон Хиггса быстро распадается на b-кварк и анти-b-кварк, которые могут быть зафиксированы детектором. Но образующийся одновременно с этим мусор из прочих частиц мешает понять, что же происходит в действительности

Самая массивная из открытых на сегодняшний день частиц — это t-кварк. Его масса в 182 раза превосходит массу протона, t-кварк был открыт в 1995 году большой коллаборацией экспериментаторов на Теватроне, являвшемся крупнейшим ускорителем в США. Протоны и антипротоны, летящие навстречу друг другу по большому кольцу (диаметром примерно 2 км), сталкиваются лоб в лоб, имея энергию, в 1000 раз превосходящую их энергию покоя. Неудивительно, что они рождают t-кварки, обладая таким запасом энергии. Более того, теоретически они могли бы родить частицу вдесятеро более массивную, чем t-кварк, поскольку суммарная энергия, выделяющаяся при столкновении протона и антипротона в 1000 + 1000 = 2000 раз превосходит массу протона. К сожалению, почти невозможно добиться того, чтобы вся энергия столкновения переходила в массу одной частицы, и всё потому, что протон и антипротон не являются точечными частицами, а обладают внутренней структурой. Каждый из участников столкновения состоит из трёх кварков и нескольких глюонов. При столкновении протона и антипротона большинство кварков пролетают друг мимо друга или испытывают лишь скользящее столкновение. Интерес представляют столкновения, при которых один из кварков или один из глюонов, находящийся внутри протона, сталкивается лоб в лоб с одним из кварков или глюонов, находящихся внутри антипротона. Такое жёсткое столкновение, называемое жёстким процессом, и приводит к рождению t-кварка. Жёсткие процессы должны также приводить и к рождению бозонов Хиггса. Поскольку в жёстком процессе участвуют только по одному кварку или глюону от каждого протона или антипротона, то на рождение t-кварка тратится только часть общей энергии столкновения протона с антипротоном.