Чтение онлайн

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 теоретиков-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.

• 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.

Insane in the membrane

Insane in the brain.

Cypress Hill [134]

Икар Рашмор XLII решил еще раз нырнуть на крохотный планковский масштаб. К счастью, его Алисэксвир с форсированным движком работал превосходно и Икар плавно возник в десятимерной вселенной, заполненной струнами. Желая поскорее испытать свое новое оборудование, Икар запустил на полную мощность только что купленный по системе Gbay1 гипердвигатель. Он с восхищением наблюдал за тем, как струны сталкивались и перепутывались в чарующем танце.

Хотя Икар опасался, что Алисэксвир может не выдержать, ему очень хотелось побольше узнать об этом новом мире. Поэтому он продолжал давить на рычаг гипердвигателя. Сначала струны стали еще чаще сталкиваться друг с другом. Но когда Икар сильнее надавил на рычаг, он попал в новый, совершенно неузнаваемый мир. Икар даже не мог сказать, не разрушилось ли пространство-время. Но он продолжал разгонять гипердвигатель и, как ни странно, остался целым и невредимым.

Однако окружающий его мир стал совершенно иным. Икар уже не находился в десятимерной вселенной, откуда он начал свое путешествие. Вместо этого он оказался в одиннадцатимерной вселенной, заполненной частицами и бранами. И, как это ни странно звучит, ничто в этой новой вселенной не испытывало тяги к взаимодействию. Бросив взгляд на свои контрольные приборы, Икар обнаружил, что рычаг форсажа загадочным образом вернулся в нижнее положение. Озадаченный и довольно раздраженный Икар снова нажал на рычаг только для того, чтобы вернуться назад, откуда он начал. Проверив приборы, он обнаружил, что рычаг гипердвигателя опять находится в нижнем положении.

Икар подумал, что его Алисэксвир, вероятно, работает неправильно. Но когда он сверился с руководством, он понял, что устройство работает идеально, просто запущенный на полную мощность гипердвигатель в десятимерной теории струн был эквивалентен маломощному гипердвигателю в альтернативном одиннадцатимерном мире, и наоборот.

Руководство не говорило, что должно происходить, когда гипердвигатель работал на промежуточной мощности, не слишком малой и не слишком большой, так что Икар вошел в Спейсернет3 и занес себя в очередь ожидающих исправленной версии машины, которая решила бы проблему. Но создатели Алисэксвира обещали только, что выпуск нового релиза состоится в пределах тысячи лет.

Можно сказать, что в современном физическом мире термин «теория струн» стал неадекватным. Так, теоретик Майкл Дафф шутливо называет «теорию струн» «теорией, ранее известной как струны». Теория струн уже давно является не просто теорией струн, простирающихся в одном пространственном измерении, но также теорией бран, простирающихся в двух, трех и более измерениях. Сейчас мы знаем, что браны, которые могут простираться в любом числе измерений вплоть до того числа, которое содержит теория суперструн, являются в такой же степени частью теории суперструн, как и сами струны. Ранее теоретики игнорировали их, так как они изучали струны в условиях, когда «рычаг» интенсивности взаимодействия струн находился в нижнем положении, и взаимодействия бран были менее существенны. Оказалось, что браны есть тот пропавший кусок, который удивительным образом дополнил ряд картинок-загадок.

В этой главе я опишу эволюцию бран в истории теории струн. Они появились как забавная диковинка, которой можно пренебречь, и со временем превратились в центрального игрока. Мы увидим несколько направлений, следуя которым браны помогли разрешить ряд неясных с середины 1990-х годов вопросов теории струн. Браны помогли физикам понять происхождение загадочных частиц в теории струн, которые, как казалось, не могли возникнуть из струн. А когда физики включили в рассмотрение браны, они открыли дуальные теории — пары теорий, казавшихся весьма различными друг от друга, но имевших одинаковые физические следствия. История про Икара относится к одному поразительному примеру дуальности, который будет использован в этой главе: эквивалентность между десятимерной теорией суперструн и одиннадцатимерной супергравитацией, представляющей собой теорию, в которой есть браны, но нет струн.