65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Оказалось, что если фундаментальными кирпичиками материи являются не точечные частицы (как это представляет Стандартная модель), а протяженные струны, то можно избежать тех самых бесконечностей, возникающих при квантовом описании гравитации. При этом все известные частицы представляются как различные виды колебаний этих микроскопических струн, наподобие волн, бегущих по обычным струнам. Чем больше энергия колебаний струны, т. е. чем больше ее частота, тем тяжелее будет соответствующая частица. Таким образом можно воспроизвести весь «зоопарк» элементарных частиц. Важно отметить существенное отличие квантовых струн от обычных. Если мы рассмотрим струны гитары или скрипки, то они будут состоять из молекул и атомов. Их всегда можно разделить на составляющие части. А вот струны из теории струн никакой внутренней структурой не обладают, они имеют размеры порядка планковских и не состоят ни из каких «атомов». Кстати, именно из-за своих микроскопических размеров нам они кажутся точечными – ведь у нас просто нет средств, чтобы разглядеть их размеры.
Но есть у теории струн одно очень необычное следствие. Чтобы она была математически непротиворечива, размерность пространства, в котором она работает, должна быть равна десяти. А самая первая теория струн вообще требовала двадцати шести измерений. И, чтобы сократить количество измерений хотя бы до десяти, физикам пришлось добавить в теорию суперсимметрию. Кстати, поэтому ее иногда называют теорией суперструн.
Суперсимметрия – это еще один вид симметрии теории, которая устанавливает соответствие между двумя типами частиц: фермионами и бозонами, частицами вещества и частицами взаимодействия. При определенных преобразованиях они должны переходить друг в друга. Суперсимметрия предсказывает существование для каждой из частиц материи своего суперпартнера, частицы взаимодействия, и наоборот: для кварка должен существовать скварк (т. е. суперкварк), у электрона – сэлектрон, у фотона – фотино, у глюона – глюино и т. д. Суперсимметричные теории (не только теории суперструн, но и обычные квантовополевые) обладают множеством преимуществ, там более естественным образом сокращаются лишние бесконечности, и вообще они математически более элегантны. Однако суперсимметрия все еще остается всего лишь красивой теорией, поскольку до сих пор не удалось обнаружить ни одной частицы-суперпартнера, хотя на это возлагают надежды большое число физиков и ведутся активные поиски частиц-суперпартнеров.
Но давайте вернемся к теории струн и обсудим одну ее важную особенность. До этого ни одна из теорий не накладывала никаких ограничений на количество пространственных измерений: и квантовая теория поля, и общая теория относительности могут быть сформулированы в пространствах любых размерностей. А вот теория струн работает только в пространстве десяти измерений. Почему же тогда мы видим только три пространственных измерения и одно временнóе? Куда подевались остальные измерения? Чтобы объяснить, почему мы не наблюдаем остальные шесть измерений, физики придумали два основных механизма: локализация и компактификация.
Локализация предполагает, что мы с вами живем не во всем 10‐мерном пространстве теории струн, а лишь в его четырехмерном подпространстве или, как его еще называют, бране. Все струны, из которых мы состоим, при помощи определенных ограничений как бы «привязаны» своими концами к этой бране и не могут от нее оторваться. Поэтому нам кажется, что Вселенная имеет всего четыре измерения (три пространственных и одно временнóе). При этом существуют частицы, способные вылетать из нашей браны в объемлющее 10‐мерное пространство – это гравитоны, гипотетические частицы – переносчики гравитационного взаимодействия. Если ученым удастся обнаружить эти частицы, то по их поведению можно будет судить о существовании больших размерностей.
Компактификация, второй возможный вариант объяснения многомерности нашего мира, предполагает, что все дополнительные измерения свернуты в маленькие (даже микроскопические) колечки – именно поэтому нам они невидны. Аналогично тому, как нам кажется одномерным натянутый где-то вдалеке кабель линии электропередач – с нашей точки зрения у него есть всего одно измерение. А вот какому-нибудь муравью, ползущему по этому кабелю, он представляется двумерным протяженным объектом, по которому можно двигаться не только вперед и назад, но и вокруг самого кабеля. А если этот муравей сможет прогрызть отверстие в кабеле и пролезть внутрь, то полученное пространство будет для него вообще трехмерным. Точно так же из-за своих размеров мы не способны увидеть крошечные дополнительные измерения теории струн. Тогда физики занялись исследованиями того, какими способами можно свернуть пространство. Оказалось, что таких способов огромное количество. Все они посчитаны и проклассифицированы и даже имеют специальное название – многообразия Калаби-Яу, в честь математиков Эудженио Кала́би (1923–2023) и Шинту́н Яу (род. в 1949 г.), которые впервые исследовали такие пространства и выявили их ключевые свойства.
Впоследствии идея о том, что дополнительные пространственные измерения могут быть свернуты, имела очень элегантное продолжение. Оказалось, что подобно тому, как в общей теории относительности гравитация представляется как следствие искривления пространства-времени (то есть, по сути, имеет геометрическое происхождение), в теории струн геометрия пространства-времени определяет фундаментальные характеристики частиц и их взаимодействий. То есть тот способ, которым свернуты дополнительные измерения, определяет все законы природы, с которыми мы имеем дело: массы и заряды элементарных частиц, константы их взаимодействия и даже количество этих взаимодействий. Буквально все параметры физики выводятся из геометрии пространства-времени. Однако тут на пути физиков встает так называемая проблема ландшафта теории струн – как выбрать из всех возможных способов свертки дополнительных измерений именно тот, который соответствует нашей Вселенной и всем наблюдаемым в ней явлениям? А пространство для выбора поистине огромно: приходится выбирать из 10100–10500 вариантов компактификации. Ни один из суперкомпьютеров не способен решить эту задачу даже за время существования Вселенной.
Помимо описанных проблем, в теории струн также существует множество других, как чисто математических, так и экспериментальных. Из-за сложностей тех объектов, с которыми имеет дело теория струн, возникающие в ней задачи не поддаются решению известными в математике методами. Более того, существующих математических подходов оказывается недостаточно, и физикам приходится разрабатывать для теории струн новые разделы математики. Всё, что ученым до сих пор удалось получить, это приближенные решения приближенных уравнений. Кроме того, физика – это все-таки наука экспериментальная. И любые выводы теоретиков обязательно должны быть проверены на эксперименте. А теория струн (по крайней мере на том уровне, на котором она находится сегодня) требует для своей проверки настолько больших энергий, что ни один из земных ускорителей частиц не способен их достичь. Для этого потребуется ускоритель размером хотя бы с Солнечную систему.
Так что теория струн остается лишь красивой теорией, подающей большие надежды на объединение
