Стивен Габсер - Маленькая книга о большой теории струн

В середине 1990-х мы стали свидетелями второй суперструнной революции, основанной на складывающемся понимании дуальностей и роли бран. И снова усилия были направлены на попытки втиснуть это новое понимание в рамки теории, которая могла бы претендовать на звание Общей Теории Всего, где слово «всего» включает все аспекты фундаментальной физики, которые мы могли бы понять и проверить экспериментом. Гравитация является частью фундаментальной физики. Так же как и электромагнитные и ядерные взаимодействия. Так же как и строение и поведение частиц: электронов, фотонов, протонов и нейтронов, из которых состоят атомы. Пока что построения теории струн позволяют воспроизводить лишь общие наброски того, что мы знаем, и существуют определённые трудности, не позволяющие говорить о ней как о полностью жизнеспособной теории. Но парадокс в том, что чем больше мы узнаём о теории струн, тем больше мы убеждаемся в том, что мы ничего не знаем. Судя по всему, назрела необходимость в третьей суперструнной революции. Но пока она не предвидится. Напротив, струнные теоретики пытаются уже на существующем уровне развития и понимания теории делать частные предположения о следствиях, которые могут быть проверены в экспериментах: как нынешних, так и грядущих. Наиболее значительные усилия направлены на попытки описать с помощью теории струн высокоэнергетические столкновения протонов и тяжёлых ионов. Мы надеемся, что это описание, возможно, поможет понять идею суперсимметрии, или роль дополнительных измерений, или смысл горизонта чёрной дыры, а может быть, и всё вышеперечисленное разом.

Теперь, когда мы добрались в нашем историческом путешествии до сегодняшних дней, позвольте сделать отступление и рассказать о двух типах столкновений, упомянутых ранее.

Благодаря циклопической экспериментальной установке, построенной недалеко от Женевы, известной под именем Большого адронного коллайдера (БАК), столкновения протонов ещё долго будут оставаться в главном фокусе физики высоких энергий. БАК ускоряет летящие по кругу пучки протонов и сталкивает их лоб в лоб со скоростью, близкой к скорости света. Этот тип столкновений хаотичный и неуправляемый. Экспериментаторы пытаются зафиксировать редкие события, приводящие к рождению очень массивных нестабильных частиц. Одной из таких частиц является знаменитый бозон Хиггса, отвечающий, в частности, за наличие массы у электрона. Суперсимметрия предсказывает существование и многих других частиц, которые (если будут обнаружены) послужат наиболее убедительным свидетельством в пользу того, что теория струн — это правильный путь. Существует также весьма отдалённая перспектива, что протон-протонные столкновения породят микроскопические чёрные дыры, последствия распада которых можно непосредственно наблюдать.

При столкновениях тяжёлых ионов используются «ободранные» до самого ядра от всех электронов атомы золота и свинца, разгоняемые в том же ускорителе, что и протоны. Столкновения тяжёлых ионов порождают ещё больший хаос, чем столкновения протонов. При этом считается, что протоны и нейтроны, составляющие ядра, «расплавляются» в составляющие их глюоны и кварки. Образовавшаяся субстанция из кварков и глюонов расширяется, охлаждается и вновь «конденсируется» в частицы, которые фиксируются детекторами. Эта субстанция называется кварк-глюонной плазмой . Теория струн усматривает связь кварк-глюонной плазмы с чёрными дырами. Только дуальность чёрной дыры и кварк-глюонной плазмы проявляется не в привычном четырёхмерном пространстве-времени, а в искривлённом пятимерном пространстве. Следует подчеркнуть, что связь теории струн с реальным миром чисто спекулятивная. Суперсимметрия может просто отсутствовать в нём, и кварк-глюонная плазма, создаваемая БАК, может вести себя совсем не так, как пятимерная чёрная дыра. Струнные теоретики вместе с теоретиками других мастей делают свои ставки и, затаив дыхание, следят за крутящимися в коллайдере частицами, способными как оправдать, так и разрушить их надежды.

Эта книга построена на некоторых базовых идеях современной теории струн и последующем обсуждении её возможного применения к физике высоких энергий. Теория струн покоится на двух основаниях: квантовой механике и теории относительности. От этих двух оснований, как от двух сросшихся стволов дерева, отходят многочисленные ветви, образующие настолько обширную крону, что трудно уделить должное внимание даже её небольшой части. Темы, обсуждаемые в этой книге, представляют собой лишь срез теории струн, что в какой-то степени позволяет избежать углубления в математические дебри. Выбор темы также отражает мои предпочтения и предубеждения и, вероятно, даже границы моего понимания предмета.

Другой особенностью книги является то, что она посвящена физике, а не физикам. Я постараюсь рассказать вам о том, что я сам знаю лучше всего, — о теории струн, но не стану рассказывать о людях, участвовавших в её создании (сразу скажу, что это был не я). Чтобы проиллюстрировать всю сложность рассказа о физиках, имеющих отношение к той или иной идее, зададимся простым вопросом: кто создал теорию относительности? Альберт Эйнштейн, не правда ли? Да. Но если мы остановимся на одном этом имени, мы потеряем целый пласт истории физики. Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре проделали огромную работу, предвосхитившую результаты Эйнштейна. Герман Минковский придумал математическую систему координат, которая легла в основу специальной теории относительности. Давид Гильберт независимо создал математическую основу для общей теории относительности. Безусловно, заслуживают упоминания и такие важные фигуры, как Джеймс Клерк Максвелл, Джордж Фицджеральд, Джозеф Лармор, так же как и более поздние первопроходцы — Джон Уилер и Субраманьян Чандрасекар. Развитие квантовой механики шло более сложным и извилистым путём, поэтому здесь нет столь яркой фигуры, как Эйнштейн, возвышающейся одиноким столпом над остальными, — скорее многочисленная интернациональная армия, в рядах которой были Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Эрнест Резерфорд, Нильс Бор, Луи де Бройль, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер, Поль Дирак, Вольфганг Паули, Паскуаль Йордан и Джон фон Нейман, вносившие каждый свой существенный вклад в общее дело, причём часто сражаясь друг против друга. А если бы я посягнул на расстановку приоритетов и оценку личного вклада каждого из участников в создание теории струн, то такая попытка отодвинула бы на второй план главную идею, ради которой задумывалась эта книга, — рассказать о новой теории.

Цель первых трёх глав книги — ввести читателя в курс тех идей, которые являются основополагающими для понимания теории струн, но не являются её составной частью. Три из них — сохранение энергии, квантование и релятивизм — более важны, чем сама теория струн, поскольку имеют непосредственное отношение к описанию реального мира. Глава 4, посвящённая введению в теорию струн, станет первым шагом в неведомое. Хотя я и попытаюсь в 4-й, 5-й и 6-й главах, насколько сумею, представить теорию струн, D-браны и дуальность теории струн как разумные и хорошо аргументированные теоретические построения, факт остаётся фактом: они не имеют экспериментальных доказательств правомерности их применения для описания реального мира. Главы 7 и 8 посвящены современным попыткам пристроить теорию струн для описания результатов экспериментов по столкновению высокоэнергетичных частиц. Суперсимметрия, дуальности и чёрные дыры в пятимерном пространстве призваны объяснить, что происходит и что может произойти с частицами в ускорителях.