Путь к объединению ведет к теории струн

В ходе развития физики особо выделяются объединения (унификации): события, когда различные до того явления признаются взаимосвязанными, а теории подправляются с учетом этого факта. Одно из самых важных таких объединений случилось в девятнадцатом веке.

Долгое время казалось, что электричество и магнетизм — различные физические явления. Электричество было изучено первым. Выдающиеся эксперименты Генри Кавендшпа были проведены в период от 1771 до 1773 г. Затем были исследования Шарля Огюстена де Кулона, завершившиеся в 1785 г. Эти работы позволили создать теорию статического электричества, или электростатику. Дальнейшие эксперименты обнаружили связи магнетизма с электричеством. В 1819 г. Ганс Христиан Эрстед обнаружил, что электрический ток, текущий в проводе, может отклонять стрелку помещенного рядом магнитного компаса. Вскоре Жан Батист Био и Феликс Савар (1820) и Андре Мари Ампер (1820-1825) установили законы магнитного поля, созданного электрическим током. Решающий шаг был сделан Майклом Фарадеем (1831), показавшим, что и изменяющиеся магнитные поля порождают электрические токи. Появились и уравнения, описывающие эти явления, но они, на самом деле, были некорректны. Лишь Джеймс Клерк Максвелл (1865) построил согласованную систему уравнений, добавив в одно из них новое слагаемое. Новое слагаемое не только устраняло несогласованность, но и предсказывало электромагнитных волны. За это великое прозрение уравнения электромагнитного поля (или электродинамики) называются сейчас уравнениями Максвелла. Они объединяют электричество и магнетизм в единое целое. Это элегантное и эстетически привлекательное объединение должно было обязательно случиться: взятые по отдельности, электричество и магнетизм были бы противоречивы.

Другое фундаментальное объединение двух типов явлений произошло в конце 1960-х гг., примерно через сто лет после работы Максвелла. Оно вскрыло глубокую связь между электромагнитными силами и силами, ответственными за слабые взаимодействия. Чтобы оценить значение этого объединения, необходимо сначала сделать обзор основных достижений, произошедших в физике со времен Максвелла.
Важное изменение парадигмы было инициировано специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна. В этой теории обнаруживается поразительное концептуальное объединение различных понятий, касающихся пространства и времени. В отличие от объединения сил, слияние пространства и времени в пространственно-временной континуум представило новое понимание природы той арены, на которой разыгрываются физические явления. Ньютоновская механика была заменена релятивистской механикой, а старые идеи об абсолютном времени были отвергнуты. Было показано, что масса и энергия взаимозаменяемы.

Другое, возможно, еще более драматическое, изменение парадигмы связано с возникновением квантовой механики. Многочисленными экспериментами было доказано, что созданная Эрвином Шрёдингером, Вернером Гейзенбергом, Полем Дираком и другими физиками квантовая теория является правильной схемой для описания микроскопических явлений. В квантовой механике классические наблюдаемые становятся операторами. Если два оператора не коммутируют, соответствующие наблюдаемые не могут быть одновременно измерены. Квантовая механика — это больше, чем теория, это система взглядов. Она дает правила, по которым следует использовать теории, чтобы получить физические предсказания.
В дополнение к этим достижениям, было показано существование в природе четырех фундаментальных сил (взаимодействий). Коротко рассмотрим их.

Одна из сил — это сила тяготения, или гравитация. Она известна со времен античности, но впервые была аккуратно описана Исааком Ньютоном. Теория Ньютона была радикально переработана в общей теории относительности Альберта Эйнштейна. В этой теории пространство-время частной теории относительности приобретает собственную жизнь, а силы тяготения возникают из кривизны динамического пространства-времени. Общая теория относительности Эйнштейна представляет собой классическую теорию гравитации. Она не сформулирована как квантовая теория.
Вторая фундаментальная сила — электромагнитная. Как обсуждалось выше, эта сила хорошо описывается уравнениями Максвелла. Теория Максвелла сформулирована как классическая теория электромагнитных полей. В противоположность ньютоновской механике, которая модифицируется частной теорией относительности, теория Максвелла полностью совместима с частной теорией относительности.

Третьей фундаментальной силой является слабое взаимодействие. Эта сила ответственна за процесс ядерного бета-распада, при котором нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. В общем случае, все процессы с участием нейтрино порождаются слабыми силами. Ядерный бета-распад был известен с конца девятнадцатого века, но понимание того, что в игру вступила новая сила, пришло только в середине двадцатого века. Величина этой силы определяется фермиевской постоянной. Слабые взаимодействия намного слабее электромагнитных.
Наконец, четвертая сила обусловлена сильным взаимодействием, ее часто называют цветовой силой. Эта сила удерживает вместе составные части нейтрона, протона, пиона и многих других субъядерных частиц. Сами составные части, называемые кварками, настолько сильно связаны цветовой силой, что их невозможно наблюдать в изоляции.

Теперь мы можем вернуться к вопросу об объединении. В конце 1960-х гг. модель Вайнберга—Салама электраслабых взаимодействий соединила в единую структуру электромагнетизм и слабую силу. Эта объединенная модель возникла не только из соображений простоты или изящества. Она была необходима для создания самосогласованной теории слабых взаимодействий, обладающей предсказательной силой. В первоначальной формулировке теория рассматривает четыре безмассовые частицы, являющихся переносчиками взаимодействий. Процесс нарушения симметрии придает массу трем из этих частиц — $W^+,~w^-$ и $Z^0$, которые являются переносчиками слабого взаимодействия. Оставшаяся безмассовой частица — фотон — является переносчиком электромагнитного взаимодействия.

Как мы говорили выше, уравнения Максвелла являются уравнениями классического электромагнетизма, они не используют положения квантовой теории. Физики нашли методы квантования, которые можно использовать для того, чтобы превратить классическую теорию в квантовую, т. е. в такую теорию, которую можно вывести, используя принципы квантовой механики. В то время как классическую электродинамику можно с уверенностью использовать для расчета переноса энергии в высоковольтных линиях и форм излучения радиоантенн, для расчета микроскопических явлений она неточна и неправильна. Для корректных вычислений в этой области требуется квантовая электродинамика (КЭД), квантовая версия классической электродинамики. В КЭД фотон возникает как квант электромагнитного поля. Теория слабых взаимодействий также является квантовой теорией, так что правильная единая теория — это квантовая электрослабая теория.

Кварки, лептоны и калибровочные бозоны. Все частицы Стандартной модели, исключая бозон Хиггса. Кварки и
лептоны разбиты на три поколения, соответствующие первым трем
столбцам на рисунке. Именно так фундаментальные фермионы входят
в лагранжиан Стандартной модели.
Кварки, лептоны и калибровочные бозоны. Все частицы Стандартной модели, исключая бозон Хиггса. Кварки и лептоны разбиты на три поколения, соответствующие первым трем столбцам на рисунке. Именно так фундаментальные фермионы входят в лагранжиан Стандартной модели.

Процедура квантования может быть успешно осуществлена и в случае сильного (цветового) взаимодействия, полученная таким образом теория была названа квантовой хромодинамикой (КХД). Носителями цветовой силы являются восемь безмассовых частиц. Это цветовые глкюны, которые, как и кварки, не могут наблюдаться изолированно. Кварки взаимодействуют с глюонами, так как они имеют цвет. Существуют кварки трех цветов.

Электрослабая теория совместно с КХД образуют Стандартную модель физи- з: частиц. В этой модели существует перекрытие между электрослабым сектором сектором КХД, так как некоторые частицы испытывают влияние обоих типов сил. Однако настоящего глубокого объединения слабой и цветовой сил не происходит. Стандартная модель полностью подводит итог современным знаниям в физике частиц. Таким образом, мы на самом деле не убеждены в любом дальнейшем возможном объединении.

В Стандартной модели имеется двенадцать переносчиков взаимодействий: засемь глюонов, частицы  $W^+,~w^-$ и $Z^0$ и фотон, все они бозоны. Кроме того, существует много частиц материи, и все они фермионы. Есть два типа частиц материи: лептоны и кварки. Лептоны включают электрон $e^-,$ мюон $\mu^-,$ тау-лептон $\tau^-,$ и связанные с ними нейтрино —$\nu_e,\nu_\mu$ и $\nu_\tau,$ их можно объединить в список.

Лептоны:

$$ e^-,~\mu^-,~\tau^-,~\nu_e,\nu_\mu,~\nu_\tau.$$


Так как мы должны включить и античастицы ко всем лептонам, то общее число лептонов равно двенадцати. Кварки несут цветовой заряд, электрический заряд и испытывают также влияние слабой силы. Существует шесть разных типов кварков, поэтически называемых ароматами: верхний $(u),$ нижний $(d),$ очарованный $(c),$ странный $(s),$ самый верхний $(t)$ и самый нижний $(b),$ их тоже можно объединить в список.

Кварки:

$$u,~d,~c,~s,~t,~b.$$

Например, кварки и и d обладают разными электрическими зарядами и по- разному отвечают на действие слабой силы. Каждый из перечисленных шести кварков существует в трех цветовых разновидностях, так что всего получается $6\times3 = 18$ частиц. Если учесть античастицы, получится всего 36 кварков. Складывая число лептонов с числом кварков, получаем всего 48 частиц материи, а добавив к этому 12 переносчиков взаимодействий, получим 60 частиц.

Несмотря на большое число частиц, описываемых Стандартной моделью, она достаточно элегантна и очень сильна. Но если рассматривать ее как основную теорию всей физики, обнаруживается два существенных недостатка. Во-первых, она не включает гравитацию. Во-вторых, в ней содержатся около двадцати параметров, которые нельзя вычислить в рамках этой же теории. Возможно, простейшим примером такого параметра является безразмерное отношение массы мюона к массе электрона. Значение этого отношения равно примерно 207, и оно должно вноситься в теорию извне.

Большинство физиков верят, что Стандартная модель — только шаг на пути к формулировке полной теории физики. Значительное число физиков полагает также, что правильным окажется некоторое объединение электрослабых и сильных взаимодействий в теорию Великого объединения (ТВО). Однако в настоящее время объединение этих двух взаимодействий кажется необязательным.
Другой привлекательной возможностью является то, что более полная версия Стандартной модели должна включать суперсимметрию. Суперсимметрия представляет собой симметрию, связывающую бозоны и фермионы. Так как все частицы материи являются фермионами, а все переносчики сил — бозонами, то эта поразительная симметрия объединяет материю и взаимодействия. В теории с суперсимметрией бозоны и фермионы возникают парами с равной массой. Частицы Стандартной модели не обладают таким свойством, так что суперсимметрия, если она существует в природе, должна быть спонтанно нарушена. Суперсимметрия является настолько привлекательной симметрией, что многие физики убеждены, что она в конце концов будет открыта.

Неизвестно, возникнут или нет рассмотренные нами расширения Стандартной модели, но ясно, что включение гравитации в физику частиц не может быть необязательным. Если мы хотим иметь полную теорию, то гравитация должна быть включена, будь то в рамках объединения или без него. В настоящее время явления, обусловленные гравитационной силой на микроскопическом уровне, являются пренебрежимо малыми, но они становятся определяющими при изучении космологии ранней Вселенной.

Однако при попытке включить гравитационную физику в Стандартную модель возникает более важная проблема. Стандартная модель является квантовой теорией, в то время как общая теория относительности Эйнштейна — классическая теория. Представляется очень сложным, если не вообще невозможным, получить самосогласованную теорию, которая частично является квантовой, а частично — классической. Широко распространено мнение, что гравитация также должна быть превращена в квантовую теорию. Однако в случае гравитации процедура квантования сталкивается с серьезными трудностями. Получающаяся теория квантовой гравитации оказывается либо невычислимой, либо полностью непредсказуемой, и оба варианта неприемлемы. Практически, во многих обстоятельствах можно уверенно работать с классической гравитацией, связанной со Стандартной моделью. Например, это все время делается при описании современной Вселенной. Однако теория квантовой гравитации необходима для изучения моментов времени, близких к Большому взрыву, и некоторых свойств черных дыр. Представляется фундаментально необходимой формулировка квантовой теории, которая включала бы гравитацию и другие силы. Для построения такой полной теории может понадобиться объединение гравитации с другими силами.

Теория струн как единая физическая теория


Теория струн является замечательным кандидатом на единую теорию всех сил в природе. Кроме того, это довольно впечатляющий прототип полной физической теории. В теории струн все взаимодействия действительно объединены на глубоком и значительном уровне. На самом деле объединены все частицы. Теория струн — это квантовая теория, и поскольку она включает гравитацию, эта теория является квантовой теорией гравитации. Смотря с этой точки зрения и вспоминая провалы попыток превратить эйнштейновскую гравитацию в квантовую теорию, можно заключить, что в теории струн все другие взаимодействия необходимы для согласованности сектора квантовой гравитации! Хотя непосредственно измерить эффекты квантовой гравитации довольно трудно, теория квантовой гравитации, подобная теории струн, может предсказать явления, касающиеся других взаимодействий, которые могут быть проверены.

Почему теория струн — действительно теория объединения? Причина проста и коренится в основных положениях теории. В теории струн каждая частица идентифицируется как конкретная колебательная мода элементарной микроскопической струны. В данном случае очень уместна музыкальная аналогия. Так же как скрипичная струна может колебаться в разных модах, причем каждая мода соответствует определенному звуку, так и моды колебаний фундаментальной струны можно сопоставить с различными известными нам частицами. Одним из колебательных состояний струн является гравитон — квант гравитационного поля. Так как существует всего один тип струн и все частицы возникают из колебаний струн, то, в результате, все частицы естественно включаются в одну

Рис. 1. Распад $\alpha \to \beta +\gamma$ как  процесс взаимодействия частиц (слева) и струн (справа)

Рис. 1. Распад $\alpha \to \beta +\gamma$ как процесс взаимодействия частиц (слева) и струн (справа).

теорию. Когда в рамках теории струн мы обсуждаем процесс распада $\alpha \to \beta +\gamma,$ где элементарная частица а распадается на частицы $\beta$ и $\gamma,$ мы представляем себе одну струну, колеблющуюся таким образом, что она сопоставляется с частицей а, и эта струна разбивается на две струны, колеблющиеся так, что они сопоставляются частицам $\beta$ и $\gamma.$ Так как оказывается, что струны необычайно малы, прямое наблюдение струноподобной природы частиц может оказаться затруднительным.

Почему мы уверены, что теория струн является хорошей квантовой теорией гравитации? Полной уверенности до сих пор нет, но есть очень хорошее свидетельство. Действительно, по-видимому, в теории струн не возникает проблем невычислимости или недостатка предсказуемости, возникающих при попытке квантования теории Эйнштейна.

Для столь амбициозной теории, как теория струн, очевидно, желательна определенная степень однозначности. Наличие нескольких непротиворечивых кандидатов на роль теории всех взаимодействий было бы разочаровывающим фактом. Первым признаком того, что теория струн является достаточно однозначной, является то, что в ней нет настраиваемых безразмерных параметров. Как отмечалось ранее, в Стандартной модели физики частиц имеется около двадцати параметров, которые нужно настроить, придав им точные значения. На самом деле теория с настраиваемыми безразмерными параметрами не является однозначной. Когда параметры принимают разные значения, получаются разные теории с потенциально разными предсказаниями. В теории струн имеется один размерный параметр — длина струны $l_s,$ значение этого параметра можно приближенно представлять себе как типичный размер струн.

Другим интригующим признаком однозначности теории струн является то, что размерность пространства-времени оказывается фиксированной. Наше физическое пространство-время четырехмерно, с одним временным и тремя пространственными измерениями. В Стандартной модели эта информация используется для построения теории, она не выводится. А в теории струн число пространственно-временных измерений возникает из вычислений, их получается не четыре, а скорее десять. Некоторые из этих измерений могут быть скрыты от прямого взгляда, если они свернуты в пространство столь малых размеров, что не могут быть обнаружены экспериментально при низких энергиях. Если теория струн правильна, должен существовать какой-то механизм, обеспечивающий то, что наблюдаемая размерность пространства-времени равна четырем.

Отсутствие настраиваемых безразмерных параметров — признак однозначности теории струн: это означает, что теория не может быть непрерывным образом деформирована или изменена путем изменения этих параметров. Но ведь могут существовать другие теории, которые невозможно получить путем непрерывных деформаций. Так сколько же имеется теорий струн?

Начнем с того, что имеются два больших подраздела этих теорий: есть открытые и замкнутые струны. У открытых струн есть два конца, в то время как у замкнутых струн концов нет. Можно рассматривать теории только с замкнутыми струнами и теории, в которых есть как замкнутые, так и открытые струны. Поскольку открытые струны в общем случае могут замыкаться, образуя замкнутые струны, мы не рассматриваем теорий только с открытыми струнами. Второе деление на подразделы заключается в рассмотрении теорий бозонпых струн и теорий суперструн. Бозонные струны живут в 26 измерениях и все их колебания представляют собой бозоны. Так как в этих теориях нет фермионов, теории бозонных струн нереалистичны. Однако они намного проще, чем теории суперструн, и большинство важных понятий теории струн можно объяснить в рамках бозонных струн. Суперструны живут в десятимерном пространстве-времени и спектр их состояний включает как бозоны, так и фермионы. На самом деле эти два набора частиц связаны преобразованием суперсимметрии, поэтому суперсимметрия является важной составной частью теории струн. Все реалистичные модели теории струн построены из суперструн. Во всех теориях струн гравитон возникает как колебательная мода замкнутой струны — в теории струн гравитация неизбежна.

К середине 1980-х гг. было известно о существовании пяти десятимерных теорий суперструн. За последовавшие годы было обнаружено много внутренних связей между этими теориями. Кроме того, путем перехода к определенному пределу сильной связи в рамках одной из теорий суперструн была обнаружена новая теория. Эта теория одиннадцатимерна и, за неимением лучшего названия, ее окрестили М-теорией. Теперь стало ясно, что пять теорий суперструн и М-теория являются просто сторонами или различными пределами одной единственной теории! В настоящее время эта единственная теория остается во многом загадочной. Похоже, что менее обещающие теории бозонных струн не связаны с паутиной суперструнных теорий, но в будущем эта точка зрения может измениться.

Резюмируя, мы видим, что теория струн является действительно единой и возможно единственной теорией. Это кандидат в единую физическую теорию, ту теорию, которую Альберт Эйнштейн стремился построить сразу же после создания общей теории относительности. Возможно, что Эйнштейн был бы удивлен, а может быть и огорчен той важной ролью, которую в теории струн играет квантовая механика. Но похоже, что теория струн является достойньм последователем общей теории относительности. Почти наверняка теория струн породит новое представление о пространстве-времени. Особое положение квантовой механики в теории струн не должно было бы удивить Поля Дирака. Его работы по квантованию показывают, что он чувствовал, что из квантования классической физики могут возникнуть глубокие квантовые теории. Именно это и произошло в теории струн. Эта книга детально объяснит, почему теория струн, по крайней мере, в ее простейшей форме, есть не что иное, как квантовая механика классических релятивистских струн.

Теория струн и ее проверка

С самого начала следует сказать, что до сих пор нет экспериментального подтверждения теории струн. Чтобы получить такое подтверждение, нужно иметь четкое предсказание. Такое предсказание трудно получить. Теория струн все еще находится на ранней стадии развития, и не так-то просто делать предсказания с помощью не до конца понятной теории. Все же существует ряд интересных возможностей.

Как отмечалось выше, теория суперструн оперирует десятимерным пространством-временем — одним временным и девятью пространственными измерениями. Если теория струн верна, должны существовать дополнительные пространственные измерения, даже если мы их до сих пор не наблюдали. Можно ли проверить существование таких дополнительных измерений? Если дополнительные измерения имеют размер планковской длины $l_P$ (шкала масштабов, связанных с четырехмерной гравитацией), они будут находиться, может быть навсегда, за пределами прямой регистрации. Действительно, $l_P\sim 10^{-33}$ см и это расстояние на много порядков меньше $10^{16}$ см — наименьшего расстояния, которое может быть исследовано с помощью ускорителей частиц. Считалось, что такой сценарий наиболее вероятен. Предполагалось, что в теории струн шкала масштабов 4 совпадает с планковской длиной, и в этом случае дополнительные измерения также будут иметь планковские размеры.

Однако оказалось, что теория струн допускает существование дополнительных измерений с размерами порядка одной десятой миллиметра! Удивительно, что дополнительные измерения таких размеров могли остаться незамеченными. Чтобы такое случилось, длина струн $l_s$ должна быть порядка $10^{18}$ см. Кроме того, наше трехмерное пространство оказывается гиперпространством, погруженным в девятимерное пространство. Гиперпространство, или многомерная мембрана, называется D-браной. В теории струн эти D-браны являются реальными физическими объектами. В этой схеме существование дополнительных измерений может быть проверено только гравитационными экспериментами. Дополнительные измерения, если они достаточно маленькие, но большие $l_P,$ могут обнаружиться в экспериментах на ускорителях частиц. Если дополнительные измерения будут обнаружены на ускорителях, то это станет сильным свидетельством в пользу теории струн. Возможно даже непосредственное наблюдение струн.

Дополнительные измерения,  если они достаточно маленькие, но большие $l_P,$ могут обнаружиться в экспериментах  на ускорителях частиц. Кроме того, наше трехмерное пространство оказывается гиперпространством,  погруженным в девятимерное пространство. Гиперпространство, или многомерная  мембрана, называется D-браной.

Поразительное подтверждение теории струн может возникнуть в результате открытия космической струны. Оставшаяся от процессов, происходивших в ранней Вселенной, космическая струна может растягиваться от одного края наблюдаемой Вселенной до другого, и может быть обнаружена благодаря гравитационному линзированию или, более косвенно, путем обнаружения гравитационных волн. До сего дня не обнаружено никаких космических струн, однако поиски не исчерпали себя и продолжаются. Если космическая струна будет найдена, ее следует детально изучить, чтобы подтвердить, что это струна из теории струи, а не другой вид струны, который может возникнуть в общепринятых теориях физики частиц.

Другая возможность проверки теории связана с суперсимметрией. Если мы будем исходить из десятимерной теории суперструн и компактифицируем шесть дополнительных измерений, полученная четырехмерная теория будет, в большинстве случаев, суперсимметричной. Никаких однозначных предсказаний относительно конкретных деталей четырехмерной теории не возникает, но само наличие суперсимметрии является довольно характерным свойством. Экспериментальное обнаружение суперсимметрии на будущих ускорителях станет очень сильным свидетельством того, что теория струн на верном пути.

Оставляя в стороне предсказания новых явлений, следует спросить себя, возникает ли Стандартная модель из теории струн. Так должно быть, потому что предполагается, что теория струн есть единая теория всех взаимодействий, и поэтому она должна сводиться к Стандартной модели при достаточно низких энергиях. Хотя в теории струн хватает места для всех известных частиц и взаимодействий, что, безусловно, хорошая новость, никто еще не смог показать во всех деталях, как они возникают. Ряд моделей, использующих D-браны и имеющих сверхъестественное сходство с известным нам миром. На самом деле в этих моделях содержание частиц точно такое же, как в Стандартной модели (правда, частицы получаются с нулевой массой, и неясно, правильно ли работает придающий им массы механизм). Наш четырехмерный мир есть часть D-бран, но оказывается, что эти D-браны имеют более трех пространственных измерений. Дополнительные измерения D-бран свернуты в компактное пространство (мы узнаем далее, как представлять такие конфигурации!). Калибровочные бозоны и частицы материи в модели возникают из колебаний открытых струн, натянутых между D-бранами. Мы покажем, что концевые точки открытых струн должны оставаться прикрепленными к D-бранам. Если угодно, для струн можно привести музыкальную аналогию: точно так же, как,струны скрипки натянуты между колками, D-браны фиксируют концевые точки открытых струн, наинизшие колебательные моды которых могут представлять частицы Стандартной модели!

Теория струн, так же, как эйнштейновская теория тяготения, обладает загадочным свойством. Уравнения тяготения Эйнштейна допускают много космологических решений. Каждое решение представляет непротиворечивую вселенную, но только одно из них представляет нашу наблюдаемую Вселенную, Не так-то легко объяснить, что совершает отбор физического решения, но в космологии это делается с помощью аргументов, основанных на начальных условиях, симметрии и простоте. Чем меньше число решений, которыми обладает теория, тем более она предсказуема. Если множество решений характеризуется непрерывными параметрами, отбор решения эквивалентен настройке значений параметров. Таким образом, теория, формулировка которой не требует настраиваемых параметров, может порождать настраиваемые параметры путем выбора своих решений! Очевидно, что в теории струн набор решений (моделей струн) характеризуется как дискретными, так и непрерывными параметрами.

С учетом этих замечаний, можно задаться вопросом: каковы возможные итоги поиска реалистичной модели струн? Ясно, что для воспроизведения Стандартной модели струнная модель не должна иметь непрерывных параметров: такие параметры требуют существования безмассовых полей, которые не наблюдались экспериментально. Один возможный итог (наихудший) состоит в том, что ни одна модель струн не воспроизводит Стандартную модель. Это исключило бы теорию струн из рассмотрения. Другой возможный итог (наилучший) состоит в том, что одна модель струн воспроизводит Стандартную модель. Кроме того, модель изображается хорошо изолированной точкой в пространстве всех струнных решений; таким образом, параметры Стандартной модели могут быть предсказаны. Число моделей струн может быть настолько велико, что возникнет странная возможность; множество моделей струн с почти одинаковыми свойствами с известной точностью согласуются со Стандартной моделью. В этом случае произойдет потеря предсказательной силы. Возможны и другие итоги.

Теория струн естественно включает в себя теорию гравитации Эйнштейна
Теория струн естественно включает в себя теорию гравитации Эйнштейна

Теоретики-струнники иногда утверждают, что теория струн уже привела по крайней мере к одному успешному предсказанию: она предсказала гравитацию! В этом утверждении есть доля шутки, однако я полагаю, что здесь содержится очень важное утверждение. Теория струн — это квантовая механика релятивистской струны. Никогда и ни в каком смысле гравитация не включалась в теорию струн извне. Удивительно, но гравитация возникает в теории струн. Действительно, ни одно из колебаний классической релятивистской струны не соответствует частице тяготения, но мы обнаруживаем частицу тяготения среди квантовых колебаний релятивистской струны. Читая эту книгу, страницу за страницей, вы увидите в деталях, как это происходит. Поразительное квантовое возникновение гравитации в теории струн полностью соответствует предсказанию.

Развитие и перспективы

Теория струн стала очень популярной и активной областью исследований с момента, когда Майкл Грин и Джон Шварц в 1984 г. показали, что суперструны не подвержены фатальным противоречиям, разрушающим аналогичные теории частиц в десяти измерениях. С тех пор был достигнут большой прогресс.

Теория струн породила новый интересный взгляд на обычные теории физики частиц, в особенности, калибровочные теории. Это те типы теорий, которые используются для формулировки Стандартной модели. Близкие родственники этих калибровочных теорий возникают на D-бранах теории струн.

Теория струн также предложила интересную статистическую интерпретацию энтропии черной дыры. Из пионерских работ Якоба Бекенштейна и Стивена Хокинга мы знаем, что черные дыры обладают как энтропией, так и температурой. В статистической механике эти свойства возникают, если система может быть построена многими вырожденными способами, используя базисные компоненты. Такая интерпретация невозможна в эйнштейновской теории гравитации, где черные дыры либо вообще лишены составных частей, либо их очень мало. Однако, в теории струн можно построить черные дыры путем сборки различных типов D-бран и струн. Для таких черных дыр предсказываемая энтропия Бекенштейна получается подсчетом числа способов, которыми они могут быть построены из составляющих D-бран и струн.

Теория струн может понадобиться для изучения космологии Очень Ранней Вселенной. Она может предоставить конкретную модель инфляции — периода драматического экспоненциального расширения, которое Вселенная, по-види- мому, испытала в самые ранние моменты. Теория инфляции предполагает, что наша Вселенная похожа на растущий пузырь или расширяющуюся область пространства. Пузыри продолжают все время возникать и каждая модель могла бы физически реализоваться в каком-то пузыре. Инфляция не возникла бесконечно давно, так что представляется необходимым какое-то начало. Глубочайшие загадки Вселенной, похоже, таятся в режиме, когда классическая общая теория относительности действительно нарушается. Теория струн поможет нам заглянуть в эту неведомую область. Когда-нибудь мы сумеем понять, как возникла Вселенная, если это произошло, или как Вселенная могла сущеетвовавть вечно в прошлом, если это действительно было.

Ответы на такие вопросы потребуют, скорее всего, совершенного владения теорией струн, которое лежит сейчас за пределами наших возможностей. На самом деле теория струн является незаконченной теорией. Пояснить это можно путем сравнения с теорией Эйнштейна: уравнения общей теории относительности Эйнштейна элегантны и геометричны, они включают концептуальные основы теории и полностью подготовлены к описанию гравитации. В теории струн никакие подобные уравнения неизвестны и концептуальная основа теории остается во многом неизвестной. Теория струн представляет захватывающую область исследований, так как еще предстоит найти ее основные идеи.

Описание природы и формулировка теории — вот современные вызовы теории струн. Если удастся преодолеть эти трудности, мы получим теорию всех взаимодействий, позволяющую представить эволюцию пространства-времени и разрешить загадки квантово-механической Вселенной. При таких больших ставках физики предпочитают развивать теорию струн, пока не будут получены определенные ответы.

11 Мая 2011, 4:03    Den    6560    0

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.