Маленькая книга о большой теории струн: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Струнные теоретики прошли суровую закалку, пытаясь на протяжении более чем двадцати лет приготовить теорию всего, и не последнюю роль в этом сыграла проблема свёрнутых измерений. Но чем лучше мы узнаём теорию струн, тем больше проблем она ставит перед нами, и это удручает. Возможно, стоит сравнить трудности, возникающие при попытках описать реальный четырёхмерный мир на основе теории струн, с трудностями, возникшими в другой области теоретической физики — высокотемпературной сверхпроводимости. Открытая в 1986 году, высокотемпературная сверхпроводимость позволяет передавать большие электрические мощности без потерь энергии. Эпитет «высокотемпературная» здесь, конечно, не слишком удачен, поскольку при этих температурах замерзает даже воздух, но они гораздо выше тех температур, при которых эффект сверхпроводимости наблюдался ранее, и это очень важно для его промышленного использования. Теоретически, однако, очень трудно понять, как работает высокотемпературная сверхпроводимость. Существующая теория, известная с 1950-х годов, объясняет обычную сверхпроводимость, и она основана на эффекте образования электронных пар. Сила, удерживающая электроны в парах, основана на... звуке! Электроны как бы «разговаривают» друг с другом на расстояниях, во много раз превышающих размер атома, а затем согласовывают своё движение таким образом, чтобы избежать потерь энергии. Мистика. Но весьма хрупкая, потому что тепловое движение мешает спариванию электронов: при повышении температуры электроны уже не могут «перекричать» шум теплового движения и «услышать» друг друга. Считается, что описание 1950-х годов, в котором электроны координируют свои действия посредством звуковых волн, не годится для высокотемпературных сверхпроводников. Электроны, вероятно, по-прежнему образуют пары в этих материалах, но на гораздо меньшем расстоянии и связываются гораздо более сильным образом. Возможно, определённую роль играет особая мелкозернистая структура среды. Существует ряд теоретических предположений о том, как это может происходить, но мне кажется, что в целом проблема пока не решена.

Решённая или нет, но проблема высокотемпературной сверхпроводимости даёт несколько хороших уроков теории струн. Главный из них состоит в том, что одних только теоретических выкладок зачастую недостаточно. Высокотемпературная сверхпроводимость была открыта экспериментально, в то время как теоретики до сих пор не в состоянии дать удовлетворительное объяснение этому явлению. Правильная теория реального мира может быть весьма далека от того, что мы способны вообразить. Хрупкость электронных пар, удерживаемых звуковыми волнами, напоминает мне вялость дополнительных измерений, едва удерживаемых в свёрнутом состоянии. Не исключено, что «настоящая» теория струн, описывающая реальный мир, так же сильно отличается от конструкции, в которой дополнительные измерения связаны бранами и скреплены магнитными полями, как современное объяснение сверхпроводимости отличается от теоретических построений 1950-х годов. И процесс её построения может затянуться.

Частицы, частицы, частицы...

В пятой главе я упомянул длинный список известных элементарных частиц: фотоны, гравитоны, электроны, кварки (шесть разновидностей!), глюоны, нейтрино и ещё несколько других. Говоря о полном списке, стоит отметить, что он включает множество различных частиц с совершенно разными свойствами, участвующих в различных взаимодействиях. Факт существования такого списка с мольбой взывает к новой универсальной теории, которая содержала бы лишь несколько элементарных объектов и объясняла бы физические взаимодействия на более глубоком уровне. Для объяснения закономерностей периодической таблицы химических элементов потребовалось создание теории строения атома. Гелий, аргон, калий и медь столь же различны, сколь и типы химических реакций, в которые они вступают. Но теория строения атома показала, что все химические элементы состоят из электронов, находящихся в определённых квантовых состояниях и колеблющихся около атомных ядер, состоящих из протонов и нейтронов. Длинный список элементарных частиц может быть объяснён теорией струн, но сама теория струн в свою очередь тоже успела обзавестись целым выводком разнообразных объектов: D-бранами, солитонными 5-бранами, M-бранами и т. п., — и никто не знает, как можно и можно ли вообще придумать для описания этих объектов более общую теорию, вскрывающую новый уровень, следующий за уровнем дуальностей теории струн.

Столкновение двух протонов в БАК может родить бозон Хиггса. В изображённом на рисунке процессе бозон Хиггса быстро распадается на b-кварк и анти-b-кварк, которые могут быть зафиксированы детектором. Но образующийся одновременно с этим мусор из прочих частиц мешает понять, что же происходит в действительности

Самая массивная из открытых на сегодняшний день частиц — это t-кварк. Его масса в 182 раза превосходит массу протона, t-кварк был открыт в 1995 году большой коллаборацией экспериментаторов на Теватроне, являвшемся крупнейшим ускорителем в США. Протоны и антипротоны, летящие навстречу друг другу по большому кольцу (диаметром примерно 2 км), сталкиваются лоб в лоб, имея энергию, в 1000 раз превосходящую их энергию покоя. Неудивительно, что они рождают t-кварки, обладая таким запасом энергии. Более того, теоретически они могли бы родить частицу вдесятеро более массивную, чем t-кварк, поскольку суммарная энергия, выделяющаяся при столкновении протона и антипротона в 1000 + 1000 = 2000 раз превосходит массу протона. К сожалению, почти невозможно добиться того, чтобы вся энергия столкновения переходила в массу одной частицы, и всё потому, что протон и антипротон не являются точечными частицами, а обладают внутренней структурой. Каждый из участников столкновения состоит из трёх кварков и нескольких глюонов. При столкновении протона и антипротона большинство кварков пролетают друг мимо друга или испытывают лишь скользящее столкновение. Интерес представляют столкновения, при которых один из кварков или один из глюонов, находящийся внутри протона, сталкивается лоб в лоб с одним из кварков или глюонов, находящихся внутри антипротона. Такое жёсткое столкновение, называемое жёстким процессом, и приводит к рождению t-кварка. Жёсткие процессы должны также приводить и к рождению бозонов Хиггса. Поскольку в жёстком процессе участвуют только по одному кварку или глюону от каждого протона или антипротона, то на рождение t-кварка тратится только часть общей энергии столкновения протона с антипротоном.

БАК способен сталкивать протоны с энергией, в 15 000 раз превышающей их массу. Энергия, расходуемая на жёсткие процессы, составляет порядка одной десятой от полной энергии протона. С точностью до порядка можно сказать, что БАК способен в большом количестве рождать частицы, масса которых более чем в 1000 раз превосходит массу протона, в то время как масса отдельных рождаемых частиц может превосходить массу протона более чем в 2000 раз. Но чем тяжелее частица, тем реже она встречается среди продуктов реакции.

Какие же новые типы частиц можно ожидать среди продуктов реакций в экспериментах на БАК? На момент написания этой книги самым честным ответом будет: «А чёрт его знает...». Я не хочу утверждать, что строительство БАК окажется пустой тратой денег, если он ничего не обнаружит, хотя это и будет горькой правдой. Я надеюсь, что независимо от того, справедливы ли гипотеза существования суперсимметрии и теория струн, должно обнаружиться что-то интересное в диапазоне энергий, покрываемом БАК, помимо вроде как открытого бозона Хиггса. Мне бы хотелось, чтобы это была суперсимметрия. Убеждённость, что в этом диапазоне энергий что-то есть, основывается на идее перенормировки. Я вкратце качественно изложил эту идею в четвёртой главе и напомню, что перенормировка — это математическая машинерия, позволяющая получить полное описание облака виртуальных частиц, окружающее электрон или какую-нибудь другую частицу. Перенормировка работает, только если в исследуемом диапазоне энергий существует что-нибудь типа бозона Хиггса. А для того, чтобы перенормировка работала гладко, помимо бозона Хиггса должна обнаружиться и суперсимметрия. Но не следует забывать, что указанная математическая машинерия — это не реальный мир. Всё может оказаться совсем не таким, как мы придумали. В экспериментах БАК может обнаружиться нечто, чего мы даже не могли вообразить, и это будет самым возбуждающим результатом. Впрочем, стоит сказать, что если БАК не обнаружит ничего, то такой результат окажется не менее потрясающим.

Вернёмся к суперсимметрии — наиболее предпочитаемому кандидату на исследование в БАК. Как я уже говорил, самое поразительное предсказание суперсимметрии состоит в том, что у каждой элементарной частицы должен существовать суперсимметричный партнёр, обладающий таким же зарядом, такой же массой и участвующий в тех же взаимодействиях, но отличающийся значением спина. У нас есть электрон, а суперсимметрия предсказывает существование суперэлектрона, называемого сэлектроном. У нас есть фотоны — суперсимметрия предсказывает существование суперфотонов — фотино. Аналогично суперсимметрия предсказывает существование скварков, глюино, снейтрино и гравитино. Даже бозон Хиггса должен иметь суперпартнёра, обычно называемого хиггсино. Как я объяснял ранее, суперсимметрия не может быть точной, в частности потому, что не существует сэлектрона, имеющего точно такую же массу, как и электрон. Приблизительная, или нарушенная, суперсимметрия всё ещё предсказывает существование сэлектрона, фотино, снейтрино и остальных счастиц, но их массы оказываются во много раз больше масс их обычных партнёров. Есть основания предполагать, что массы искомых суперчастиц лежат в пределах досягаемости Большого адронного коллайдера. Если это так, то БАК окажется самой плодовитой исследовательской установкой в истории и даст нам в руки не одну-две, а целую дюжину новых фундаментальных частиц.

Симметрия, требующая существования целого набора новых частиц, эквивалентного уже существующему, может показаться скорее шагом назад, чем вперёд. В конце концов, разве задача создания универсальной теории не требует уменьшения количества эксплуатируемых ею сущностей? Примерно такое чувство родила во мне суперсимметрия, когда я впервые с ней познакомился. Но вот вам пример, над которым стоит задуматься. Уравнение Дирака, описывающее электрон, было придумано в 1920-х годах, и оно давало одно неожиданное предсказание: существование антиэлектрона, обычно называемого позитроном. Вскоре физики предсказали существование античастиц для каждой известной частицы, и они открыли их! С моей точки зрения, суперсимметрия не обладает такой же аурой неизбежности: она не нужна для описания уже известных частиц, в то время как уравнение Дирака было необходимо для описания электрона. Хотя, возможно, не стоит ставить в один ряд подтверждённые и неподтверждённые предсказания.

Распад скварка на несколько детектируемых частиц и на ЛСЧ (легчайшая суперсимметричная частица), которая ускользает незарегистрированной

Существует большая разница между наличием у частицы массы, находящейся в диапазоне, покрываемом БАК, и возможностью зарегистрировать эту частицу, поскольку чрезвычайно сложно разобраться в том обилии разнообразных мусорных частиц, которые рождаются в ходе каждого столкновения, и реконструировать весь ход событий. На самом деле Теватрон исправно выдавал на-гора все эти годы бозоны Хиггса, но трудности реконструкции всех событий рождения и уничтожения частиц позволили ему все эти годы успешно скрываться от исследователей, в то время как масса бозона Хиггса составляет около 130 масс протона — это меньше, чем масса t-кварка! Гораздо проще искать счастицы при помощи БАК. Например, глюино, если их массы лежат в доступном диапазоне, должны генерироваться на БАК целыми гроздьями, тем более что они предсказываются многими вариантами суперсимметричных теорий, и их должно быть сравнительно легко отфильтровывать из потока экспериментальных данных. В цепочках распада, предсказываемых этими теориями, глюино передают часть своей энергии покоя другим счастицам, которые в свою очередь передают часть своей энергии покоя дальше по цепочке. В конце цепочки распадов остаётся только одна легчайшая суперчастица. Для обозначения легчайших суперсимметричных частиц используется аббревиатура ЛСЧ. Принято считать, что ЛСЧ не распадается на другие частицы, а покидает детектор необнаруженной. Если всё это правда, то понятно, почему детекторы БАК не регистрируют суперчастицы, а обнаруживают только продукты их распада.

Прежде чем продолжить рассказ о ЛСЧ, я хотел бы отметить одну очень неприятную особенность БАК. Даже если в эксперименте обнаружится что-то похожее на счастицу, это не позволит нам с уверенностью утверждать, что мы открыли суперсимметрию. Виной всему обилие частиц, рождаемых при протон-протонных столкновениях. Взаимодействия между кварками и глюонами столь сильны, что они маскируют новые явления. В результате определить спин вновь открытой частицы очень трудно. По этой причине физики выступают за постройку нового ускорителя, называемого Международным линейным коллайдером, или МЛК. В его задачу будет входить ускорение электронов и позитронов, потому что их столкновения проходят более «чисто», чем столкновения протонов. Предполагается, что МЛК позволит более надёжно отфильтровать предсказания суперсимметрии от предсказаний других альтернативных теорий. Но МЛК пока что находится в стадии проектирования и вступит в строй не ранее 2020 года. Печальная судьба Сверхпроводящего суперколлайдера показывает, как трудно воплощать подобные проекты в жизнь.

Вернёмся к суперсимметрии. Обнаружение ЛСЧ будет важнейшим открытием последних лет, поскольку, возможно, именно они составляют так называемую тёмную материю, играющую ключевую роль в формировании галактик. На протяжении десятилетий астрономы и космологи ломали голову над аномально высокой массой галактик. Современная наблюдательная техника позволяет без особого труда пересчитать все звёзды в той или иной галактике и вычислить их суммарную массу. Оказывается, даже если к этой массе добавить массу газа и пыли, которые всегда присутствуют в галактиках, её окажется недостаточно для того, чтобы удержать звёзды в галактике. Для объяснения этого феномена была придумана тёмная материя, дополняющая недостаток массы. Расчёты показывают, что общая масса тёмной материи в наблюдаемой части Вселенной должна в пять или шесть раз превосходить массу обычной материи, доступной нашим наблюдательным инструментам. Но что эта материя собой представляет? На этот счёт имеется масса гипотез, начиная от потухших звёзд и заканчивая субатомными частицами. У ЛСЧ есть два важных преимущества перед другими кандидатами на роль тёмной материи. Во-первых, в большинстве наиболее реалистичных суперсимметричных теорий ЛСЧ очень массивны (их масса более чем в 100 раз превосходит массу протона), электрически нейтральны и стабильны. Во-вторых, легко понять, как они возникли на ранней стадии эволюции Вселенной и почему их суммарная масса в пять-шесть раз превышает массу обычного вещества, то есть вещества, состоящего преимущественно из протонов, нейтронов и электронов.

В общем, суперсимметрия представляет собой замечательную теоретическую основу. Она базируется на необычной математике, прекрасно согласуется с общепринятыми теориями элементарных частиц, включая перенормируемые, и она предсказывает множество новых частиц, которые мы надеемся открыть при помощи БАК. Наконец, теория суперсимметрии и теория струн так глубоко взаимосвязаны, что мне трудно поверить, что в мире могла бы существовать суперсимметрия, если бы теория струн в той или иной форме не была верна. Суперсимметрия немного напоминает дуальности теории струн. Она устанавливает отношение между частицами и их суперсимметричными партнёрами, подобно тому как S-дуальность устанавливает отношение между струнами и D-бранами. Как и дуальности теории струн, суперсимметрия заставляет нас хотеть большего. Не существует ли некоторой универсальной картины, лежащей в основе всех частиц и их суперпартнёров? Не является ли суперсимметрия намёком на то, что такая картина должна существовать? Теория струн даёт ясный ответ, в который суперсимметрия встроена с самого начала и в котором все уже известные частицы и частицы, которые ещё предстоит открыть, имеют более или менее единое происхождение, описываемое динамикой струн и дополнительными измерениями.

Глава 8

Тяжёлые ионы и пятое измерение

Интересным фактом взаимоотношений суперсимметрии и ускорительной физики, а конкретно физики, изучаемой на БАК, является то, что все необходимые для построения законченной теории ингредиенты были получены ещё более двадцати лет назад. Разумеется, за два последних десятилетия теория и эксперимент не топтались на месте. Например, был открыт долгое время остававшийся неуловимым t-кварк. Особняком стоит разве что бозон Хиггса, который удалось поймать только в 2012 году. Также за эти годы значительно углубилось теоретическое понимание суперсимметрии, и сейчас мы гораздо лучше представляем, чего именно следует ждать от БАК, чем могли бы представить в 1980-х годах. Но все эти успехи были лишь подготовительными манёврами к генеральному наступлению, начала которого ждут, затаив дыхание, все физики мира. Суперсимметрия показала за эти годы удивительный пример выживания. Не имея никаких экспериментальных подтверждений, она ухитрилась не утратить своей роли главной надежды на построение общей теории всего. И даже альтернативные теории, предлагавшие вместо суперсимметрии различные варианты перенормировок, в ходе своего развития становились всё более «суперсимметричными».

В последнее время был придуман совершенно новый способ связать теорию струн с реальным миром. Со стороны теории струн этот способ основан на струнно-калибровочной дуальности, о которой я рассказывал в шестой главе. Со стороны реального мира он базируется на столкновениях тяжёлых ионов, о которых я расскажу немного позже. В этих столкновениях температура и плотность достигают столь высоких величин, что протоны и нейтроны «плавятся», образуя субстанцию, называемую кварк-глюонной плазмой. Существуют разные способы описания этой субстанции, не имеющие ничего общего с теорией струн, но, на мой взгляд, самый правильный способ состоит в том, чтобы сделать инструментом такого описания именно теорию струн.

Это явно менее благородная цель, чем создание теории всего и выявление глубинных пластов физики вселенной. В настоящее время предполагаемая связь теории струн с физикой тяжёлых ионов обладает замечательными особенностями, которых лишена теория всего, базирующаяся исключительно на теории струн. Во-первых, в головах сторонников чистой теории струн прочно укоренились динамика струн и струнно-калибровочная дуальность, — это более прямой путь от теории струн к теории всего, чем большинство других предлагаемых сценариев, потому что стыковка теории струн и физических явлений, исследуемых на Большом адронном коллайдере, в основном происходит посредством приближения суперсимметрии в низкоэнергетическом пределе теории струн, то есть когда можно пренебречь всеми состояниями струн, кроме самых низкоэнергетических. Во-вторых, расчёты, выполненные при помощи теории струн, уже довольно хорошо согласуются с экспериментальными данными, несмотря на то что пока ещё не утихают споры о соответствии предсказаний теории струн результатам экспериментов по столкновению тяжёлых ионов. Тем не менее эта область исследований обеспечивает наиболее тесное взаимодействие между современной теорией струн и экспериментальной физикой.

Самое горячее место на Земле

Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC) расположен в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде. Он построен по тому же принципу, что и Теватрон или БАК, но, в отличие от них, способен ускорять субатомные частицы до энергий, лишь в 100 раз превышающих их энергии покоя. Для сравнения: Теватрон способен придавать протонам энергию, превышающую их массу в 1000 раз, БАК — в 7000 раз. Но главное отличие RHIC от Теватрона в том, что RHIC ускоряет не протоны, ядра золота. Ядро золота состоит из почти 200 нуклонов (напомню, что к нуклонам относятся протоны и нейтроны). Золото было выбрано, потому что его ядро очень тяжёлое и вдобавок по ряду технических причин с ним проще работать, чем с другими тяжёлыми металлами. В экспериментах на БАК планируется использовать более тяжёлые, чем ядра золота, ядра свинца. На самом деле нет никакой принципиальной разницы в том, ядра какого элемента использовать в эксперименте, поэтому в дальнейшем я буду говорить о ядрах золота, потому что именно они использовались в экспериментах на RHIC.

Физики постоянно сталкивают что-нибудь с чем-нибудь в надежде получить что-либо ещё, но в последнее время их предпочтения сместились к столкновениям электронов с позитронами. Причина в том, что электроны имеют очень простую структуру по сравнению с атомными ядрами. Нет никаких свидетельств в пользу того, что электрон имеет внутреннюю структуру. Позитроны в этом отношении идентичны электронам, за исключением того, что они несут не отрицательный, а положительный заряд. Протоны устроены гораздо сложнее — они состоят как минимум из трёх кварков и какого-то количества глюонов. Общее название частиц, составляющих протон, — партоны — от английского слова part — часть. Но протоны представляют собой нечто большее, чем просто набор партонов. Сильные взаимодействия между кварками и глюонами порождают облако виртуальных частиц, о котором мы говорили в контексте перенормировки. Позвольте вкратце напомнить, как это происходит. Кварк может испустить глюон, подобно тому как электрон испускает фотон. Глюон в чём-то похож на фотон, но есть принципиальное отличие: глюон может распасться на несколько глюонов. Те в свою очередь могут распасться на кварки или соединиться с другими глюонами. Все эти испускания, распады и соединения образуют целый каскад. Участвующие в этих процессах частицы называются виртуальными, потому что всё происходит внутри протона и мы не наблюдаем отдельные кварки или отдельные глюоны: они всегда являются составными частями других субатомных частиц. Физики называют такую особенность поведения кварков и глюонов конфайнментом. Как бы эти частицы ни взаимодействовали, они всегда остаются запертыми внутри протона. При столкновении двух протонов они проходят друг сквозь друга, как два заряда дроби, и единственное, что может произойти, — это жёсткое столкновение двух кварков или глюонов. Один из типов событий, регистрируемых на БАК, так и называется: жёсткий процесс. Чаще же кварки и глюоны взаимодействуют более мягко, хотя мягкость здесь весьма относительное понятие: при столкновении двух протонов они обычно полностью разрушаются, рождая более полусотни частиц, бо́льшая часть которых нестабильна.

Чтобы лучше представить себе характер этих столкновений, рассмотрим в качестве примера автомобильный краш-тест, в котором машины сталкиваются лоб в лоб. В большинстве случаев машины разбиваются в лепёшку, но находящиеся внутри манекены, являющиеся аналогами партонов, остаются более-менее неповреждёнными. Это пример мягкого процесса при столкновении двух протонов. В редком неблагоприятном случае обломки манекенов вместе с остатками автомобилей разлетаются в разные стороны — это пример жёсткого процесса. Протон-протонные столкновения чаще всего представляют собой гибрид небольшого числа относительно редких жёстких процессов и множества мягких.

Поспешу также заверить вас, что, вопреки журналистским страшилкам, в высокоэнергетических столкновениях частиц нет ничего опасного. Миллиарды космических частиц ежесекундно вторгаются в земную атмосферу, сталкиваясь с протонами и с атомными ядрами азота и кислорода. То, что происходит внутри Теватрона, и то, что происходит внутри БАК, — не более чем управляемые варианты процессов, происходящих в атмосфере Земли с сотворения мира. Из-за того, что огромное количество столкновений в коллайдерах происходит в сравнительно небольшой области, для уменьшения воздействия возникающей при этом радиации все установки спрятаны глубоко под землёй, но следует заметить, что риск облучения персонала здесь гораздо ниже, чем на атомных электростанциях.

Столкновения ионов золота на первый взгляд очень похожи на столкновения протонов. Каждое ядро представляет собой большой комок нуклонов, состоящих в свою очередь из партонов. При столкновении некоторые партоны сталкиваются жёстко, в то время как остальные — мягко. Подобно протонам, ядра золота при столкновении также полностью разрушаются, рождая буквально тысячи частиц.

Качественно столкновения ядер золота гораздо более катастрофичны, чем столкновения протонов. Возвращаясь к автомобильной аналогии, можно сказать, что столкновения ядер золота похожи на столкновения автомобилей, начинённых взрывчаткой.

При этом возникает очень горячий ядерный шар, который затем быстро сдувается. Этот шар горячее, чем всё, что мы можем себе представить. При обычном химическом взрыве достигается температура в несколько тысяч кельвинов. Температура в центре Солнца достигает 16 миллионов кельвинов. Похожие температуры достигаются при ядерном взрыве. Но температура, достигаемая в RHIC, превышает температуру в центре Солнца в 200 000 раз! Это горячее всего, что можно себе вообразить. Протоны и нейтроны при таких температурах «плавятся», освобождая находящиеся внутри них кварки и глюоны, формирующие кварк-глюонную плазму, о которой я уже упоминал ранее.