Неприятности с физикой: Взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Первым струнным теоретикам не хватало этого существенного наблюдения. Они определенное время представляли мир, в котором кварки связаны друг с другом резиновыми лентами, – что означает, они пытались сделать теорию струн фундаментальной теорией, а не приближением чего-либо более глубокого. Когда они пытались понять струны как струны, возникали проблемы. Проблемы происходили от двух обоснованных требований, которые они постулировали в своей теории: первое, теория струн должна быть совместима с эйнштейновской СТО – то есть, она должна соответствовать относительности движения и постоянству скорости света. Второе, она должна быть совместима с квантовой теорией.

После нескольких лет работы было найдено, что теория струн как фундаментальная теория могла бы быть согласована с СТО и квантовой теорией, только если удовлетворяются некоторые условия. Первое, мир должен иметь двадцать пять пространственных измерений. Второе, должен существовать тахион – частица, которая двигается быстрее света. Третье, должны существовать частицы, которые не могут быть сведены к остальным. Мы говорим о них как о безмассовых частицах, поскольку масса есть мера энергии частицы, когда частица не движется.

Мир не кажется имеющим двадцать пять измерений пространства. Почему-то теория никак не может от них отказаться, и это одна из великих загадок науки. Что определенно, так это то, что эта уверенность в дополнительных измерениях отпугивала многих людей от серьезного восприятия теории струн до 1984. Очень многое зависело от того, кто был прав – люди, которые отвергали идею дополнительных измерений перед 1984, или те, кто стал уверен в их существовании после этого.

Тахионы также представляли проблему. Их никогда не видели; и даже хуже, их присутствие указывало, что теория была нестабильной и, вполне возможно, непоследовательной. Также имел место факт, что не было сильно взаимодействующих частиц без массы, так что теория потерпела неудачу как теория сильно взаимодействующих частиц.

Была и четвертая проблема. Теория струн содержала частицы, но не все частицы природы. В ней не было фермионов – и, таким образом, не было кварков. Это была огромная проблема для сомнительной теории сильных взаимодействий!

Три из четырех проблем удалось обойти в одно движение. В 1970 теоретик Пьер Рамон нашел способ видоизменить уравнения, описывающие струны, так, что они стали содержать фермионы. Он нашел, что теория будет последовательной, только если она будет иметь новую симметрию. Эта симметрия должна была смешивать старые частицы с новыми – то есть, она должна была смешивать бозоны и фермионы. Так Пьер Рамон открыл суперсимметрию; таким образом, какой бы ни была судьба теории струн, она обеспечила один из маршрутов к открытию суперсимметрии, так что, как инкубатор новых идей, она уже оказалась плодотворной.

Новая суперсимметричная теория струн также столкнулась с двумя другими проблемами. В ней не было тахионов, так что главное препятствие к том, чтобы воспринимать струны серьезно, было устранено. И в ней не было больше двадцати пяти пространственных измерений, а только девять. Девять не три, но уже ближе. Если добавить время, новая суперсимметричная теория струн (или теория суперструн, для краткости) живет в мире с десятью измерениями. Это на единицу меньше, чем число одиннадцать, которое, что удивительно, является максимальным числом измерений, для которых можно записать теорию супергравитации.

Примерно в то же время второй путь, как приспособить фермионы к струнам, был изобретен Андреем Невье и Джоном Шварцем. Подобно версии Рамона, их версия теории не имела тахионов и жила в мире с девятью пространственными измерениями. Невье и Шварц также нашли и смогли понять, как суперструны взаимодействуют друг с другом, и получили формулы, которые согласуются с принципами квантовой механики и СТО.

Итак, оставалась только одна загадка. Как новая суперсимметричная теория может быть теорией сильного взаимодействия, если она содержит безмассовые частицы? Но, фактически, имеются бозоны без массы. Одним из них является фотон. То же самое верно для гравитона, гипотетической частицы, связанной с гравитационными волнами. В 1972 Невье и другой французский ученый, Джоэль Шерк, нашли, что суперструны имеют состояния колебаний, соответствующие калибровочным бозонам, включая фотон. Это был шаг в правильном направлении.

Но еще больший шаг был сделан двумя годами позднее Шерком и Шварцем. Они нашли, что некоторые из безмассовых частиц, предсказываемых теорией, на самом деле должны быть гравитонами. (Та же самая идея независимо пришла на ум молодому японскому физику Тамиаки Йонейе).

Тот факт, что теория струн содержит калибровочные бозоны и гравитоны, поменял все. Шерк и Шварц немедленно предположили, что теория струн вместо того, чтобы быть теорией сильных взаимодействий, была фундаментальной теорией – теорией, которая объединяет гравитацию с другими силами. Чтобы увидеть, насколько это красиво и просто, заметьте, что фотоноподобные и гравитоноподобные частицы возникают из струн. Струны могут быть как замкнутыми, так и открытыми. Замкнутая струна представляет собой петлю. Открытая струна является линией; у нее есть концы. Безмассовые частицы, которые могут быть фотонами, происходят из колебаний или открытых, или замкнутых струн. Гравитоны происходят только из колебаний замкнутых струн, или петель.

Концы открытых струн могут рассматриваться как заряженные частицы. Например, один конец мог бы быть отрицательно заряженной частицей, такой как электрон; другой тогда может быть античастицей, позитроном, который заряжен положительно. Безмассовые колебания струны между ними описывают фотон, который переносит электрическую силу между частицей и античастицей. Таким образом, вы одновременно получаете частицы и силы из открытых струн, и, если теория выстроена достаточно хитро, она может произвести все частицы и все силы стандартной модели.

Если бы имелись только открытые струны, не было бы гравитона, так что гравитация казалась бы оставшейся за кадром. Но оказывается, что вы должны включить замкнутые струны. Причина в том, что в природе происходят столкновения между частицами и античастицами. Они аннигилируют, создавая фотон. С точки зрения струн это описывается так, как будто два конца струны сближаются друг с другом и соединяются. Концы исчезают, и вы остаетесь с замкнутой петлей.

Фактически, аннигиляция частиц-античастиц и замыкание струн являются необходимыми, если теория претендует на согласованность с СТО, что означает, что теория требует, чтобы в ней были как открытые, так и замкнутые струны. Но это означает, что она должна включать гравитацию. И различие между гравитацией и другими силами объясняется естественным образом, в терминах различия между открытыми и замкнутыми струнами. Впервые гравитация играла центральную роль в объединении сил.

Это ли не прекрасно? Включение гравитации является столь убедительным, что здравая и разумная персона может легко прийти к уверенности, что теория основывается на нем одном, независимо от того, имеются или нет экспериментальные подтверждения для такого влючения. Особенно, если эта персона в течение лет искала способы объединения всех сил, и все другие пути потерпели неудачу.

Но что привело к этому? Разве имеется закон, который требует, чтобы концы струн встречались и объединялись? Здесь лежит одно из самых красивых свойств теории, разновидность унификации движения и сил.

В большинстве теорий движение частиц и фундаментальные силы являются двумя различными вещами. Закон движения говорит, как частицы двигаются в отсутствие внешних сил. Размышляя логически, тут нет связи между этим законом и законами, которые управляют силами.

В теории струн ситуация радикально отличается. Закон движения определяет законы сил. Это происходит потому, что все силы в теории струн имеют одно и то же простое происхождение – они появляются из рвущихся и замыкающихся струн. Раз уж вы описали, как струны двигаются свободно, все, что вам остается сделать, чтобы добавить силы, это добавить вероятность того, что струна может развалиться на две струны. Обращая процесс во времени, вы можете заново соединить две струны в одну (см. Рис.5). Закон распада и объединения оказывается строго ограниченным, чтобы быть согласованным с СТО и квантовой теорией. Сила и движение унифицируются способом, который был бы невозможен в теории с точечными частицами.

Это объединение сил и движения имеет простое следствие. В теории частиц вы можете свободно добавлять все виды сил, так что нет ничего, что могло бы помешать быстрому увеличению констант, описывающих действие каждой силы. Но в теории струн могут быть только две фундаментальные константы. Одна, называемая натяжением струны, описывает, сколько энергии содержится на единицу длины струны. Другая, называемая струнной константой связи, есть число, означающее вероятность распада струны на две струны, соответственно вызывая силы; поскольку это вероятность, это просто число, без размерных единиц. Все другие константы физики должны быть связаны с этими двумя числами. Например, гравитационная константа Ньютона, оказывается, связана с произведением их величин.

На самом деле струнная константа связи не является свободной константой, но физической степенью свободы. Ее величина зависит от решения теории, так что вместо того, чтобы быть параметром законов, она является параметром, который отмечает решения. Можно сказать, что вероятность для струны распасться или соединиться фиксируется не теорией, а окружением струны – что означает, особым многомерным миром, в котором она живет. (Эта склонность констант мигрировать от свойств теории к свойствам окружения является важным аспектом теории струн, к которому мы снова вернемся в следующей главе.) В завершении всего этого закон, которому удовлетворяют струны, является красивым и простым. Представьте раздувание пузырька. Он принимает в процессе расширения совершенно сферическую форму. Или посмотрите на пузырьки после того, как вы вспенили ванну. Их формы являются проявлением простого закона, который мы будем называть законом пузырьков. Закон устанавливает, что поверхность пузырька занимает минимально возможную для себя площадь, задавая на ней связи и силы.

Этот принцип оказывается применимым и к струнам тоже. Когда одномерная струна движется через время, она создает двумерную поверхность в пространстве-времени (см. Рис. 6). Эта поверхность имеет определенную площадь, грубо определяемую как произведение длины струны на ее продолжительность во времени.

Струна движется так, чтобы минимизировать указанную площадь. Это итоговый закон. Он объясняет движение струн и, раз уж струнам позволено распадаться и соединяться, существование всех сил. Он объединяет все силы, которые мы знаем, с описанием всех частиц. И он намного проще, чем законы, описывающие любую из вещей, которые он объединяет.

Теория струн доводит до конца еще и другой подвиг унификации. В начале девятнадцатого века Майкл Фарадей представил магнитное и электрическое поля в терминах полевых линий – линий, бегущих между полюсами магнита или между положительным и отрицательным электрическими зарядами. Для Фарадея эти линии были реальными; они были тем, что переносит силы между магнитами или зарядами.

В теории Максвелла полевые линии стали вторичными по отношению к полям, но этот подход не является обязательным. Можно представить, что полевые линии реально существуют и силы между частицами являются растяжением полевых линий между ними. Это не может быть доведено до конца в классической теории, но может быть в квантовой теории.

В сверхпроводнике – что означает материал с низким или отсутствующим электрическим сопротивлением – полевые линии магнитного поля становятся дискретными. Каждая линия переносит определенное минимальное количество магнитного потока. Можно думать об этих полевых линиях как о своего рода атоме магнитного поля. В начале 1970х три провидца предположили, что та же самая вещь справедлива для линий сил в КХД, которые являются аналогами линий электрического поля в электромагнетизме. Именно таким образом датский физик Хольгер Нильсен стал одним из изобретателей теории струн – он рассмотрел струны как квантованные линии электрического потока. Эта картина была затем развита Кеннетом Вильсоном в Корнелле, и с тех пор всегда линии квантованного электрического поля называются линиями Вильсона. Третьим провидцем был русский физик Александр Поляков, который, вероятно, является нашим самым глубоким мыслителем по поводу взаимосвязи между калибровочными теориями и теориями струн. Поляков дал единственный самый вдохновляющий семинар из тех, что я слушал как аспирант, в котором он заявил свое амбициозное желание решить КХД точно путем перевыражения ее как теории струн – струны должны были быть линиями квантованного электрического потока.

Согласно этим провидцам первичным объектом в калибровочных теориях являются полевые линии. Они удовлетворяют простым законам, которые диктуют, как они растягиваются между зарядами. Сами поля возникают только как альтернативное описание. Этот способ размышлений естественным образом встраивается в теорию струн, поскольку полевые линии могут быть приняты за струны.

Это наводит на мысль о некотором виде дуальности описаний: можно думать о полевых линиях как о первичном объекте, а об основных законах как об описании того, как они растягиваются и двигаются, или можно думать о поле как о первичном объекте, а полевые линии считать просто общепринятым способом описания поля. В квантовой теории оба описания работают. Это приводит к принципу, который мы называем дуальностью струн и полей. Оба описания работают. Оба могут быть приняты как фундаментальные.

Пьер Рамон лишился должности в Йейле в 1974, несколькими годами позже того, как были решены некоторые центральные проблемы теории струн. Оказалось, что изобретение пути включения фермионов в теорию струн, открытие суперсимметрии и удаление тахионов – все на одном дыхании – было не достаточным, чтобы убедить его коллег, что он достоин профессорства в институтах "Лиги Плюща" ("Лига Плюща" – ассоциация восьми старейших американских университетов (Браунский, Гарвардский, Дартмутский, Йельский, Колумбийский, Корнельский, Пенсильванский, Принстонский). Название происходит от побегов плюща, обвивающих старые здания в этих университетах. Считается, что члены лиги отличаются высоким качеством образования и, в связи с этим, определенным снобизмом по отношению к другим американским университетам. – (прим. перев.)).