Знание-сила, 2007 № 10 (964)

Другая причина, по которой мы можем рассчитывать на успешное объединение всех силовых взаимодействий, — это прямой намек на включение гравитации в новую физическую теорию объединения. Энергия объединения в 10 18ГэВ очень близка к энергии превращения гравитации в сильное взаимодействие. При низких энергиях гравитация относится к разряду очень слабых взаимодействий. Мы можем пренебрегать гравитацией и в обычной атомной физике, и в физике элементарных частиц низких энергий. Но ведь сила гравитационного притяжения связана с массой, которая, в свою очередь, эквивалентна энергии. Поэтому сила гравитационного притяжения растет пропорционально квадрату энергии и быстро выравнивается и объединяется со всеми другими силами (которые зависят от энергии логарифмически) по достижении планковских масштабов энергии порядка 10 19ГэВ. Это очень важный ключ, так как он указывает, что великое объединение всех сил природы должно распространяться и на гравитацию. Поскольку очень трудно построить теорию, включающую все силы, в том числе гравитацию, и одновременно соответствующую нашим знаниям о явлениях, наблюдаемых при низких энергиях, у теоретиков, возможно, есть шанс разобраться, что там происходит, и без прямых экспериментальных измерений в планковских масштабах.

Тот факт, что в масштабах объединения нам приходится считаться с гравитацией, — очень важный ключ, поскольку он вынуждает нас пойти дальше квантово-полевой модели. Как известно, все попытки прямого квантования теории Эйнштейна ни к чему не привели. Стали возникать сомнения относительно взаимной непротиворечивости квантовой механики и общей теории относительности. В качестве альтернативного выдвигается предположение, что теория Эйнштейна представляет собой всего лишь эффективную, но не окончательную и полную теорию гравитации. Да, она описывает гравитацию, но лишь на расстояниях, значительно превышающих длину Планка. Если же заниматься физикой в масштабах шкалы Планка, нужна новая теория, принципиально отличающаяся от квантовой теории поля. Единственной, на мой взгляд, работоспособной кандидатурой на эту роль является теория струн.

Теория струн многое обещает нам в будущем. Она надеется окончательно объединить все силы природы, выработать новые концепции пространства и времени, разрешить важные загадки квантовой гравитации и космологии. Это амбициозные цели, и на их осуществление может уйти много времени. Потребуется революция в нашем представлении о пространстве и времени. Тем временем теория струн продолжает углублять наше проникновение и в обычную теорию Янга- Миллса. Она также привела ко многим прозрениям в математике, созданию новых структур, методов и идей, о которых математики раньше просто не задумывались. Сегодня математики и струнные теоретики проводят совместные исследования во многих областях математики, например, в алгебраической геометрии.

Теория струн также мотивировала новые спекулятивные идеи, стимулирующие новые эксперименты. Одна из самых захватывающих связана со сверхбольшими пространственными измерениями. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — через гравитационные флуктуации «экстрапространства». Примечательно, что подобные спекуляции не противоречат современным экспериментам. Многие не исключают возможности того, что новые эксперименты, скажем, на LHC, могут привести к открытию этих макроскопических дополнительных измерений. Существование сверхкрупных дополнительных измерений привело бы к очень интересным эффектам. По некоторым сценариям, шкала Планка и шкала теории струн находятся при значительно более низких энергиях, и тогда можно представить себе, например, образование черной дыры в результате столкновения протонов.

Теория струн предлагает и другие феноменологические сценарии. Один из самых интересных заключается в том, что Вселенная заполнена космическими струнами межгалактических или даже вселенских размеров. Обычно струны крайне малы — их длина сопоставима с планковской. Для того чтобы растянуть их до макроскопических размеров, потребовалась колоссальная энергия. Но согласно инфляционной теории, которая, похоже, вполне адекватно описывает космологию, вся наблюдаемая сегодня Вселенная возникла в результате раздувания крошечной области пространства размерами порядка длины Планка. Таким образом, в начале Вселенной размеры струн и области пространства, раздувшегося затем до видимой Вселенной, были равными. По мере раздувания этой области струны также растягивались. Расширение Вселенной обеспечивало и необходимую энергию для растяжения струн, и теперь они могут иметь протяженность через всю Вселенную.

Однако и макроскопические новые измерения, и космические струны — гипотезы слишком спекулятивные с точки зрения современной теории струн. Мы определенно не можем утверждать, что вероятность их подтверждения сколько-нибудь велика. Однако они дают важный стимул к экспериментам по поиску новых эффектов на LHC и гравитационно-волновых детекторах и указывают на осязаемость близкой перспективы (хотя лично я считаю ее крайне маловероятной) прямого наблюдения струнных эффектов в лабораториях или обсерваториях.

...Так скоро ли сбудутся обещания теории струн? Шесть лет назад я смотрел в будущее менее оптимистично и говорил обычно, что успеха теории струн придется ждать до следующего тысячелетия. Сегодня я более оптимистичен: я верю, что он придет еще в этом тысячелетии.

Евгений Молчанов

Статья проиллюстрирована фотографиями установок, в создании которых участвовали российские ученые и специалисты

Большой адронный коллайдер в Женеве, этот беспрецедентный мегапроект конца прошлого — начала настоящего века, означает не только смелый научно-технологический прорыв в область сверхвысоких энергий ядерных взаимодействий, но и небывалую по своим масштабам систему организации международного научного сотрудничества.

LHC возник в замыслах своих создателей около двадцати лет назад, и с самых первых шагов к осуществлению этого проекта подключились ученые и специалисты Объединенного института ядерных исследований, их коллеги из российских научных центров и институтов других стран- участниц ОИЯИ. Объяснение этому лежит в двух пересекающихся плоскостях. Исторически Объединенный институт стал партнером ЦЕРН буквально с момента своего создания в 1956 году, и это научное сотрудничество пережило все политические перипетии «холодной войны». Уже первые взаимные визиты из Дубны в Женеву и из Женевы в Дубну принесли свои плоды не только в виде совместных публикаций в самых престижных международных изданиях и докладах на международных конференциях, но и в налаживании добрых человеческих отношений между учеными. Именно это полувековое партнерство сделало Дубну одним из реальных движителей мегапроекта, часто именуемого чудом нового века.