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

Что мы имеем в итоге: мягкие процессы, мешающие физикам разбираться в протон-протонных столкновениях в БАК, становятся ещё более многочисленными в экспериментах по столкновению тяжёлых ионов, где они ведут к образованию кварк-глюонной плазмы. Кварк-глюонная плазма не может быть удовлетворительно описана в терминах взаимодействий отдельных частиц. Её свойства лучше всего становятся понятны, если описывать их в терминах чёрных дыр в пятимерном пространстве с привлечением струнно-калибровочной дуальности.

В главе 6 я попытался рассказать о струнно-калибровочной дуальности. Взаимодействие струн, прикреплённых к D3-бранам, описывается калибровочной теорией, напоминающей квантовую хромодинамику. Изменяя свободный параметр этой теории, взаимодействие струн можно сделать более сильным или более слабым. Если мы сделаем взаимодействие струн очень сильным, то тепловые состояния лучше всего будут описываться в терминах горизонта чёрной дыры, окружающего D3-браны. Этот горизонт трудно изобразить наглядно, поскольку он представляет собой восьмимерную гиперповерхность в десятимерном пространстве. Упрощённо я представляю себе эту гиперповерхность в виде трёхмерной поверхности, параллельной трём пространственным измерениям нашего мира и отстоящей от неё в пятом измерении на расстояние, зависящее от температуры. Чем выше температура этой трёхмерной поверхности, тем меньше расстояние, на которое она удалена от нашего мира в пятом измерении. Это несовершенная визуализация. Она не отражает того факта, что пятое измерение не похоже на привычные нам четыре. Наш четырёхмерный мир является как бы тенью пятимерной реальности. Но, в отличие от тени, которую мы видим только в солнечный день, наш четырёхмерный опыт несёт не меньше информации, чем пятимерная реальность, стоящая за ним. Четырёхмерное и пятимерное описания на самом деле эквивалентны. Эта эквивалентность хотя и неочевидная, но точная: любое утверждение, которое можно сформулировать в четырёхмерной физике, имеет аналог в пятимерной, и наоборот.

Другие дуальности теории струн обладают похожими метафорическими качествами. Вспомним, к примеру, дуальность между десятимерной теорией струн и одиннадцатимерной M-теорией, включающую эквивалентность D0-бран и движущихся по окружностям частиц. Особое очарование струнно-калибровочной дуальности в том, что вместо установления отношения между двумя абстрактными теориями в размерностях, лежащих за пределами человеческих представлений, она имеет дело непосредственно со знакомой нам четырёхмерной физикой, используемой для описания кварков и глюонов. Таким образом, эквивалентные объекты на пятимерной стороне дуальности имеют особое значение. Наиболее важным для нашего разговора является отношение между кварк-глюонной плазмой, создаваемой при столкновениях тяжёлых ионов, и пятимерным горизонтом чёрной дыры. Справедливым это отношение делают в первую очередь высокие температуры, достигаемые в столкновениях тяжёлых ионов, расплавляющие нуклоны в составляющие их глюоны и кварки. Нуклоны сами по себе очень трудно отразить на пятимерное пространство, отдельные кварки и глюоны — тоже, а вот коллективное поведение сильновзаимодействующих кварков и глюонов транслировать в пятое измерение очень просто: рой частиц переходит в горизонт.

Определённо в струнно-калибровочной дуальности присутствует какое-то неуловимое новое качество. Как из общих соображений, так и по чисто техническим причинам, несколько странно иметь в качестве пятого измерения нечто, не являющееся измерением в том смысле, в каком мы знаем и любим наши привычные четыре. Это не направление физических исследований, а скорее концепция, обозначающая некоторые аспекты физики четырёх измерений. В конечном счёте я не уверен, что шесть дополнительных измерений теории струн будут смотреться в роли теории всего более убедительно, чем пятое измерение струнно-калибровочной дуальности.

Дополнительная ирония в том, что температура чёрной дыры должна быть огромной, что резко контрастирует с температурами чёрных дыр, образующихся в ядрах галактик. По грубой прикидке, сделанной в третьей главе, температура галактических чёрных дыр составляет около одной стотриллионной кельвина, в то время как температура пятимерной чёрной дыры, дуальной кварк-глюонной плазме, превышает три триллиона кельвинов, что радикально отличает искривлённое пятимерное пространство от искривлённого четырёхмерного.

Допустим, мы согласимся с дуальностью горячего роя кварков и глюонов и пятимерного горизонта. Что дальше? Существует множество вещей, которые мы сможем сделать, поскольку струнно-калибровочная дуальность — это настоящее вычислительное эльдорадо. Наиболее интересным является вычисление вязкости: как следует из геометрии чёрной дыры, динамическая вязкость очень мала по сравнению с плотностью плазмы, и это хорошо согласуется с общепринятой интерпретацией экспериментальных данных. Другие расчёты касаются поведения высокоэнергетичных частиц, которые, как я описал ранее, не пролетают больших расстояний в облаке плазмы. Это явление имеет очевидное родство с физикой чёрной дыры: ничто не может покинуть чёрную дыру. Однако нельзя по аналогии сказать, что ничто не может покинуть пределы плазменного облака. Как же должна выглядеть корректная трансляция четырёхмерной физики в пятимерную?

Споры об этом идут в то самое время, когда я пишу эту книгу, поэтому я могу только в общих чертах обрисовать возможные ответы и немного рассказать о сути этих споров.

Одним из возможных вариантов решения является идея «КХД-струн». Это настолько важная и общепринятая концепция, что я должен сделать небольшое отступление и рассказать, откуда она взялась. Во-первых, вспомним, что электрон окружён облаком виртуальных фотонов. Эти фотоны могут быть описаны в терминах электрического поля. На самом деле любой электрически заряженный объект, например протон, создаёт электрическое поле. Электрическое поле, окружающее протон, сообщает другим протонам, как они должны двигаться. Протоны «командуют» друг другом посредством электрического поля. Окружающее протон электрическое поле направлено во все стороны от центра протона. Протоны притягивают электроны, что также может быть описано при помощи электрического поля: будучи заряженными отрицательно, электроны реагируют на электрическое поле противоположным образом, нежели протоны.

Кварки очень похожи на электроны и в то же время очень не похожи. Они испускают виртуальные глюоны, которые могут быть описаны в терминах «хромо-электрического поля», сообщающего кваркам, куда им следует двигаться.

Но виртуальные глюоны сильно взаимодействуют между собой, что принципиально отличает их от фотонов. Из-за этого взаимодействия хромо-электрическое поле вытягивается в тонкую квантово-хромодинамическую струну — КХД-струну, — протянутую от одного кварка к другому. Два кварка, связанные КХД-струной, образуют частицу, называемую мезоном. Изучая свойства мезонов, мы можем вывести законы поведения КХД-струн, которое оказывается похожим на поведение струн в теории струн. Отдельные исследования старше, чем теория струн и квантовая хромодинамика! Они дали пищу для размышлений о том, что при помощи струн можно описать поведение субатомных частиц.