Журнал Наука и Техника (НиТ) - «Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2006 № 03 (3)

За все время эксплуатации Р-7 было выпущено более 17 ее модификаций.

По мнению командующего Космическими войсками генерал-полковника Анатолия Перминова, — “сказать о том, что Р-7 надежная ракета, значит, не сказать ничего, т. к. трудно найти в мировой практике более долговечную и в тоже время приспособленную к эволюциям сложнейшую техническую систему, которая вот уже 45 лет успешно выполняет возложенные на нее непростые задачи — освоения космоса и обороны страны”.

Алексей ЛЕВИН

В ближайшем будущем физика может вернуться к пифагорейской идее мировых гармоний.

Но, разумеется, на новом уровне. В 1968 году два молодых теоретика из ЦЕРНа, Габриэле Венециано и Махико Сузуки, занимались математическим анализом столкновений пионов (в устаревшей номенклатуре — пи-мезонов). Венециано и Сузуки независимо друг от друга заметили, что амплитуду парного рассеяния высокоэнергетичных пионов можно очень точно выразить с помощью малоизвестной бета-функции, которую в 1730 году придумал Леонард Эйлер. В чистом виде ее используют редко, и говорят, что церновские физики наткнулись на бета-функцию случайно, просматривая математические справочники.

Это событие вызвало в физике элементарных частиц немалую сенсацию. А в 1970 году Ечиро Намбу, Тецуо Гото, Леонард Сасскинд и Хольгер Нильсен обнаружили поистине удивительную вещь. Они вывели эту же формулу, предположив, что взаимодействие между сталкивающимися пионами возникает из-за того, что их соединяет бесконечно тонкая колеблющаяся нить, подчиняющаяся законам квантовой механики. Этот неожиданный результат дал толчок изобретению моделей, представляющих элементарные частицы в виде сверхмикроскопических одномерных камертонов, вибрирующих на определенных нотах. Их-то и стали называть струнами.

Юная теория сразу же столкнулась с трудностями. В 1970 году американец Клод Лавлейс заметил, что модель Венециано математически корректна только в случае, если пространственно-временной континуум является 26-мерным. Это еще можно было пережить, но вскоре Шварц, Неве и Рамон ввели в теорию струн понятие «спин» и доказали, что в таком виде она может реализоваться только в десятимерном пространстве-времени, вмещающем девять пространственных измерений и одно временное. Это был шок: физикам еще ни разу не приходилось сталкиваться с теорией, которая бы сама выбирала размерность. Уравнения механики Ньютона, максвелловской электромагнитной теории, СТО, ОТО и квантовой электродинамики можно написать для любого числа измерений, и они будут работать. А теория суперструн непременно требовала для себя пространства-времени одной определенной размерности — 6 измерений оказались лишними, и над “струнниками” стали посмеиваться. Шварц вспоминал, что Ричард Фейнман как-то ехидно спросил у него: “Ну, Джон, так в каких измерениях вы живете сегодня?” Казалось, что модели суперструн так и суждено остаться чисто интеллектуальным упражнением, что часто бывает в теорфизике.

Лишние шесть измерений. Их мы не воспринимаем, и они могут быть “свернуты”, например, в пространстве Калаби-Яу

Спасение пришло с неожиданной стороны. При решении струнных уравнений появлялись замкнутые кольца, которым соответствовали неизвестные науке безмассовые частицы со спином 2. Все попытки от них избавиться ни к чему не приводили — теория попросту рассыпалась. Эти частицы безуспешно пытались обнаружить в экспериментах на ускорителях. И вот в 1974 году Шварц с Шерком заявили, что таинственная безмассовая частица струнной модели и есть гравитон! Отсюда следовало, что теория струн — это не метод описания сильных взаимодействий, а математический каркас для конструирования квантовой теории тяготения. Она не конкурент квантовой хромодинамике, ее задача — объединить все фундаментальные взаимодействия и стать Теорией Всего.

Виттен сделал даже больше. Точные уравнения теории суперструн сложны и плохо поддаются интерпретации, и физики предпочитали их приближенные версии. В некоторых формулировках теории струн появлялись предельные случаи, которые добавляли к ней еще одно пространственное измерение. Виттен показал, что это не случайность: теория суперструн с 10-мерным пространством-временем оказалась лишь аппроксимацией более полной 11-мерной структуры!

Этот результат привел к глубокой перестройке основ теории. Виттен, Пол Таунсенд и еще несколько физиков добавили к одномерным струнам пространственные многообразия с большим числом измерений. Двумерные объекты стали называть мембранами, или 2-бранами, трехмерные — 3-бранами, структуры с размерностью р-р-бранами. Теория струн превратилась в теорию бран произвольной размерности — от 1 до 9.

Это обстоятельство очень важно. Обычно пишут, что мы не ощущаем присутствия шести или семи дополнительных пространственных измерений из-за того, что они свернуты в ультрамикроскопические клубки (компактифицированы), которые все наши измерительные инструменты, от микроскопов до сверхмощных ускорителей, не отличают от геометрических точек. Такая интерпретация стандартна, но не обязательна: электроны, кварки и прочие частицы материи представлены струнами со свободными концами. Это справедливо и в отношении переносчиков электромагнитного взаимодействия (фотонов), сильного (глюонов) и слабого (W- и Z-бозонов). Если пространство нашей Вселенной — это 3-брана (что правдоподобно) и если все “наши” частицы укоренены в ней обоими концами, они не могут ее покинуть и уйти в другие многообразия. Выходит, что мы заперты в своем пространстве не из-за того, что из него некуда выйти, а потому, что оно нас от себя не отпускает. У пленников замка Иф шансов на побег было побольше…

Теории суперструн в этом году исполняется 35 лет. К чему она пришла и что еще надо сделать? Вот что считает один из самых активных и влиятельных “струнников” наших дней, профессор теоретической физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джозеф Полчински: “Теория струн, несмотря на свою странную историю, возникла не на пустом месте. Пусть ее созданию помог случай, но в то же время он был неизбежным. Уверен, что этой теории суждено великое будущее. Главное ее достижение в том, что она открыла путь к построению квантовой теории гравитации. На второе место я бы поставил объединение в единой математической структуре всех четырех фундаментальных взаимодействий. Третий успех: теория струн дала возможность разделаться с большинством парадоксов, возникающих при конструировании квантовых моделей черных дыр. Четвертый: она чрезвычайно элегантно обогатила и расширила язык квантовой теории поля и всей математической физики. И наконец, в последние годы теория струн очень помогла современной космологии. В частности, позволила лучше обосновать и проработать концепцию множественного рождения различных вселенных, которую в рамках инфляционной космологии уже давно развивает Андрей Линде.