<<
>>

Последствия революции

В 1984 году на пике «суперструнной революции» я была аспиранткой в Гарварде. Довольно скоро стало ясно, что в исследовательской работе у начинающего физика есть два пути. Он может признать теорию струн, следуя по стопам Эда Виттена и Дэвида Гросса, которые в то время работали в Принстоне.

Или можно остаться физиком-частичником, имеющим более непосредственный контакт с экспериментальными результатами и работающим в команде под руководством Говарда Джорджи и Шелдона Глэшоу (оба в то время работали в Гарварде). Может показаться невероятным, что физики, интересовавшиеся одинаковыми проблемами, могли быть так разделены, но представления в двух лагерях о том, как достичь прогресса, были очень разными.

В Гарварде царило воодушевление по поводу физики частиц, и многие тамошние физики почти полностью отвергали теорию струн. В физике частиц и космологии оставались нерешенные вопросы — почему бы не ответить на них, прежде чем начать копаться на математическом минном поле, чем угрожала стать теория струн? Приемлемо ли для физики пытаться проникнуть в неизмеримые области? Когда имелось столько замечательных людей и множество интригующих идей о том, как расширить Стандартную модель физики частиц с помощью более традиционных методов, как-то не видно было особых причин бежать с корабля.

Однако были другие научные центры, где физики были убеждены, что все вопросы, касающиеся теории суперструн, будут вскоре разрешены, и что теория струн — это физика будущего (и настоящего). Теория суперструн находилась на ранних стадиях своего развития. Кое-кто верил, что если посвятить ей достаточное количество человеко-часов (а это были, в основном, муже-часы), теоретики-струнники смогут окончательно вывести всю известную физику. В работе 1985 года о гетеротической струне Гросс с коллегами писали: «Хотя остается еще много работы, представляется, что нет непреодолимых препятствий для того, чтобы вывести всю известную физику из...

гетеротической струны» Г Теория струн обещала стать Теорией Всего Сущего. Принстон шел в авангарде этих идей.

1 Gross D., HaroeyJ., Martinec E., and Rohm R. Heterotic string theory (I): The free heterotic string // Nuclear Physics B. 1985. V.256. P.253-84.

Физики были настолько уверены, что теория струн была дорогой к будущему, что в отделе не осталось теоретиков в области физики частиц, не работавших над теорией струн, — ошибка, которую Принстону еще предстояло исправить.

Сегодня мы не можем сказать, являются ли проблемы, с которыми столкнулась теория, «непреодолимыми» или нет, но они, безусловно, требуют напряжения сил. На многие важные вопросы пока нет ответов. Обращение к нерешенным проблемам теории струн, по-видимому, требует математического аппарата или фундаментального нового подхода, которые далеко выходят за рамки того набора средств, который до сих пор был развит физиками и математиками.

Джо Полчинский в своем широко известном учебнике по теории струн пишет, что «теория струн может отражать набросок реального мира»и в некоторых отношениях это так и есть. Теория струн может включать частицы и взаимодействия Стандартной модели и может быть сведена к четырем измерениям, если свернуть остальные. Однако, хотя и существуют соблазн, что теория струн может включать в себя Стандартную модель, программа поиска идеального кандидата на роль такой модели после двадцатилетних усилий ничуть не приблизилась к завершению.

Первоначально физики надеялись, что теория струн сможет однозначно предсказать, на что должен был быть похож тот мир, из которого получился мир, который мы видим. Но сейчас в рамках теории струн существует множество моделей, которые содержат различные взаимодействия, имеют разные размерности и разные комбинации частиц. Мы хотим найти тот набор, который соответствует видимой Вселенной, и узнать причину, почему этот набор выделен. Пока что никто не знает, как сделать выбор среди возможностей. И в любом случае ни одна из них не выглядит безупречной.

Например, компактификация Калаби—Яу может объяснить число поколений элементарных частиц. Действительно, одна из возможностей — это три поколения Стандартной модели. Но компактификация Калаби—Яу не единственная. Хотя теоретики-струнники первоначально надеялись, что компактификация в многообразие Калаби—Яу выделит предпочтительную структуру и установит однозначные физические законы, они быстро разочаровались. Энди Стромингер рассказывал мне, что через неделю после открытия компактификации Калаби— Яу, когда он был уверен в ее однозначности, его соавтор Гэри Горовиц нашел еще несколько допустимых многообразий. Позднее Энди узнал от Яу, что существуют десятки тысяч допустимых многообразий Калаби—Яу. Сейчас мы знаем, что теории струн, основанные на компактификации Калаби—Яу, могут содержать сотни поколений. Если компактификации Калаби—Яу вообще имеют отношение к делу, то какая из них правильна? И почему? Даже если мы знаем, что некоторые измерения теории струн должны сворачиваться или как-то иначе исчезать, теоретики-струнники должны еще установить принципы, указывающие нам на размер и форму свернутых измерений.

Более того, кроме новых тяжелых струнных частиц, возникающих из волн, много раз колеблющихся вдоль струны, теория струн содержит новые частицы малой массы. Можно ожидать, что если они существуют и настолько легки, как это наивно предсказывает теория струн, такие частицы должны быть вид-

1 Polchinski Joseph. String Theory. V. 1: An Introduction to the Bosonic String. Cambridge: Cambridge University Press, 1998.

ны в экспериментах в нашем мире. Большинство основанных на теории струн моделей содержит намного больше легких частиц и взаимодействий, чем мы наблюдаем при низких энергиях, и совершенно не ясно, что выделяет правильные.

Найти теорию струн, соответствующую реальному миру, представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Нам нужно еще узнать, почему гравитация, частицы и взаимодействия, выведенные из теории струн, должны совпадать с теми, которые существуют в нашем мире. Но эти проблемы с частицами, взаимодействиями и размерностями бледнеют по сравнению с реальным слоном в лавке — огромной переоценкой плотности энергии во Вселенной.

Даже в отсутствие частиц, Вселенная может обладать энергией, известной как энергия вакуума. Согласно общей теории относительности, существование такой энергии приводит к физическому следствию: она расширяет или сжимает пространство. Положительная вакуумная энергия ускоряет расширение Вселенной, в то время как отрицательная вакуумная энергия заставляет ее сжиматься. Эйнштейн впервые предположил существование такой энергии в 1917 году с целью найти статическое решение своих уравнений общей теории относительности, в котором гравитационный эффект энергии вакуума компенсировал бы влияние материи. Хотя затем он по многим причинам отверг эту идею, в том числе из-за открытого в 1929 году Эдвином Хабблом расширения Вселенной, не существует теоретической причины, по которой такая вакуумная энергия не могла бы существовать в нашей Вселенной.

Действительно, недавно астрономы измерили вакуумную энергию в нашем Космосе (ее еще называют темной энергией или космологической постоянной) и получили некоторое малое положительное значение. Они увидели, что далекие сверхновые тусклее, чем можно было бы ожидать, если бы они не разлетались ускоренно. Измерения сверхновых и детальные наблюдения реликтовых фотонов, рожденных во время Большого взрыва, убеждают нас, что Вселенная расширяется с ускорением, а это есть свидетельство того, что вакуумная энергия имеет малое положительное значение.

Это открытие очень важное. Но оно же порождает серьезную проблему. Ускорение очень мало, что говорит нам о том, что значение энергии вакуума хотя и ненулевое, но очень крохотное. Теоретическая проблема с наблюдаемой энергией вакуума состоит в том, что она намного меньше, чем кто-либо может оценить. Согласно оценкам теории струн эта энергия должна была бы быть намного больше. Но если бы это было так, энергия вакуума не просто приводила бы к трудноуловимому ускорению сверхновых. Если бы вакуумная энергия была большой, Вселенная уже давно бы сжалась (при отрицательной вакуумной энергии), или быстро расширилась в никуда (при положительной вакуумной энергии).

Теория струн должна еще объяснить, почему вакуумная энергия Вселенной столь мала. Физика частиц также не знает ответа на этот вопрос. Однако, в противоположность теории струн, физика частиц не претендует на то, чтобы быть теорией квантовой гравитации, она менее амбициозна. Модель физики частиц, которая неспособна объяснить энергию вакуума, неудовлетворительна, но теория струн, дающая неправильное значение этой энергии, вообще исключена.

Вопрос о том, почему плотность энергии столь экстраординарно мала, даже и близко не решен. Некоторые физики верят, что правильного объяснения не существует. Хотя теория струн есть единая теория с единственным параметром — натяжением растянутой струны — теоретики-струнники не могут до сих пор использовать ее для предсказания большинства свойств Вселенной. Большинство физических теорий содержит физические принципы, позволяющие вам отобрать те физические конфигурации, которые будет реально предсказывать теория. Например, большинство систем приходит в состояние покоя в конфигурации, имеющей наименьшую энергию. Но этот критерий, похоже, не работает для теории струн, в которой возможно бесконечное число различных конфигураций, не имеющих одинаковой вакуумной энергии, и мы не знаем, какую из них предпочесть.

Некоторые теоретики-струнники уже больше не пытаются найти однозначную теорию. Они смотрят на возможные размеры и формы скрученных измерений и на различные варианты значений энергии, которые может содержать Вселенная, и заключают, что теория струн может только набросать ландшафт, описывающий гигантское количество возможных вселенных, в которых мы могли бы жить. Эти теоретики не считают, что струна однозначно предсказывает вакуумную энергию. Они верят в то, что в космосе размещено много разных несвязанных областей с различными значениями вакуумной энергии, и мы живем в той части космоса, которая содержит правильное значение. Из множества возможных вселенных лишь одна может породить структуру, которая могла бы содержать (и действительно содержит) нас. Эти физики полагают, что мы живем во Вселенной с настолько фантастически невероятным значением вакуумной энергии, потому лишь что любое большее значение не привело бы к образованию галактик и структуры во Вселенной, а следовательно, предотвратило бы наше существование.

Это рассуждение известно под названием антропный принцип. Этот принцип существенно отличается от целей первоначальной теории струн — предсказать все свойства Вселенной. Он утверждает, что мы не должны объяснять малую энергию. Существуют несвязные вселенные со многими возможными значениями вакуумной энергии, но мы живем в одной из немногих, где может сформироваться структура. Значение энергии в этой вселенной до смешного мало, и только исключительные версии теории струн могут предсказать это очень маленькое значение, но мы можем существовать только во вселенной с очень малой энергией. Этот принцип может быть дискредитирован будущими достижениями, или оправдан более тщательными исследованиями. Однако, к сожалению, это будет трудно (если вообще возможно) проверить. Мир, в котором ответ зиждется на антропном принципе, определенно был бы неутешительным и неудовлетворительным сценарием.

В любом случае теория струн в ее теперешнем состоянии развития безусловно не предсказывает свойств мира, хотя это и единая теория по самой ее формулировке. Повторим снова, что мы столкнулись с вопросом о том, как связать прекрасную симметричную теорию с физическими реалиями нашей Вселенной. Простейшая формулировка теории слишком симметрична: многие размерности и многие частицы и взаимодействия, которые, как нам известно, должны быть разными, в теории совершенно одинаковы. И чтобы установить связь со Стандартной моделью и миром, который мы видим, этот великий порядок должен быть потревожен. После нарушения симметрии единственная теория струн может проявить себя во множестве разных обличий, в соответствии с тем, какие симметрии оказываются нарушенными, какие частицы становятся тяжелыми и какие измерения оказываются выделенными.

Создается впечатление, что теория струн — это красиво скроенное платье, которое не совсем подходит по размеру. В теперешнем состоянии вы можете повесить это платье на вешалку и восхищаться тонким шитьем и сложными стежками — оно действительно прекрасно — но вы не можете носить это платье, пока не сделаете необходимую подгонку. Нам нравится теория струн, которая включает все, что мы знаем о мире. Однако одежда, сшитая по правилу «один размер для всех», редко выглядит хорошо на каждом. Сейчас мы даже не знаем, есть ли у нас правильный набор инструментов, чтобы правильно сшить теорию струн.

Так как мы в действительности не знаем все приложения теории и неясно, будем ли мы их знать когда-нибудь, некоторые физики просто определяют теорию струн как все, что разрешает парадокс квантовой механики и общей теории относительности на малых расстояниях. Конечно, большинство теорети- ков-струнников верят, что теория струн и правильная теория — это одно и то же или по крайней мере они очень тесно связаны.

Ясно, что многое еще нужно изучать. Еще слишком рано судить об окончательных достоинствах описания мира с помощью теории струн. Возможно, более искусная математическая машинерия позволит физикам по-настоящему понять теорию струн, или, возможно, физические идеи, запасенные в приложениях теории струн к окружающей Вселенной, подберут ключи к загадке. Для анализа нерешенных проблем теории струн, похоже, потребуется фундаментально новый подход, выходящий далеко за рамки тех средств, которые до сих пор развивали математики и физики.

Тем не менее теория струн очень примечательна. Она уже привела к углубленному пониманию гравитации, размерностей и квантовой теории поля и является наилучшим из всех нам известных кандидатов на роль последовательной теории квантовой гравитации. Кроме того, теория струн привела к невероятно красивым математическим достижениям. Но теоретики-струнники все еще не выполнили тех обещаний, которые были сделаны в 1980-е годы в отношении связи теории струн с миром. Мы до сих пор не знаем большинства следствий теории струн.

Честно говоря, вопросы физики частиц также не получили немедленного ответа. Многие проблемы физики частиц, известные в 1980-е годы, так и остались нерешенными. Среди этих вопросов объяснение происхождения несопоставимых по величине масс элементарных частиц и нахождение правильного решения проблемы иерархии. Кроме того, моделестроители все еще ждут экспериментальных ключей, которые подскажут нам, какая из мириад возможностей правильно описывает физику за рамками Стандартной модели. Пока мы не перейдем к энергиям выше 1 ТэВ, мы вряд ли получим определенные ответы на волнующие нас вопросы.

В наши дни как сообщество физиков, занимающееся теорией струн, так и сообщество специалистов по физике частиц имеют более здравый взгляд на свой уровень понимания, чем это было в 1980-е годы. Мы пытаемся задавать трудные вопросы, а они требуют времени на ответ. Но это волнующее время, так что несмотря на (или, возможно, из-за) множества нерешенных проблем, есть хорошие основания быть оптимистом. Сейчас физики более глубоко понимают многие следствия как физики частиц, так и теории струн, и те исследователи, которые непредвзято воспринимают новые идеи, получают выгоду от достижений обеих школ. Это «срединная» позиция, которую предпочитают некоторые мои коллеги и я сама, и она приводит к потрясающим результатам, с которыми мы скоро познакомимся.

Что стоит запомнить Гравитон — это частица, переносящая гравитационное взаимодействие, во многом аналогично тому, как фотон переносит электромагнитное взаимодействие. Согласно теории струн, фундаментальными объектами в мире являются струны, а не точечноподобные частицы. Современные модели дополнительных измерений не используют явно теорию струн. На расстояниях, превышающих крохотный планковский масштаб длины (10“33 см), достаточно физики частиц. Тем не менее теория струн важна для физики частиц даже при низких энергиях благодаря новым понятиям и аналитическим инструментам, которые она вводит.

<< | >>
Источник: Рэндалл Лиза. Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.. 2011

Еще по теме Последствия революции:

  1. часть треть/і БЛИЖАЙШИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ РЕВОЛЮЦИИ
  2. Февральская революция и история России Революция 1905 г. - развертывание социального конфликта
  3. § 5. СОВЕТЫ В ПЕРИОД ОТ ФЕВРАЛЬСКОЙ БУРЖУАЗНОДЕМОКРАТИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ДО ВЕЛИКОЙ ОКТЯБРЬСКОЙ СОЦИАЛИСТИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ
  4. 1. Начало революции. Ее причины, характер и особенности. Нарастание революции весной и летом 1905 года.
  5. ОТ БУРЖУАЗНО-ДЕМОКРАТИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ 4 СЕНТЯБРЯ 1870 ГОДА К ПРОЛЕТАРСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ 18 МАРТА 1871 ГОДА
  6. ПОСЛЕДСТВИЯ РЕШЕНИИ
  7. ПОСЛЕДСТВИЯ
  8. § 5. Преступные последствия
  9. Последствия
  10. 4. Последствия инфляции
  11. § 1. Система правовых последствий деяния
  12. ИСТОРИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ РЕШЕНИЯ
  13. ОЦЕНКА ПОСЛЕДСТВИЙ