Струнный концерт для Вселенной

Алексей Левин
«Популярная механика» №3, 2006

• Лишние шесть измерений
• Спасительная гравитация
• Одиннадцатое измерение
• Узники 3-браны

В ближайшем будущем физика может вернуться к пифагорейской идее мировых гармоний. Но, разумеется, на новом уровне.

Все «кирпичики мироздания» возникают подобно звукам, рождаемым при колебании гитарной струны. Из звучания этих струн рождается опус под названием «Вселенная»

В 1968 году два молодых теоретика из ЦЕРНа, Габриэле Венециано и Махико Сузуки, занимались математическим анализом столкновений пионов (в устаревшей номенклатуре — пи-мезонов). Подобные квантовые коллизии описывают с помощью матрицы рассеяния, которая позволяет найти вероятности переходов сталкивающихся частиц из начальных состояний в конечные.

В каждом случае ее обычно вычисляют лишь приближенно. Венециано и Сузуки независимо друг от друга заметили, что амплитуду парного рассеяния высокоэнергетичных пионов можно очень точно выразить с помощью малоизвестной бета-функции, которую в 1730 году придумал Леонард Эйлер. В чистом виде ее используют редко, и говорят, что церновские физики наткнулись на бета-функцию случайно, просматривая математические справочники. Это событие вызвало в физике элементарных частиц немалую сенсацию. Вскоре другие теоретики установили, что амплитуда пион-пионного рассеяния на самом деле задается разложением в бесконечный ряд, первый и основной член которого как раз и совпадает с формулой Венециано—Сузуки.

А в 1970 году Ёчиро Намбу, Тецуо Гото, Леонард Сасскинд и Хольгер Нильсен обнаружили поистине удивительную вещь. Они вывели эту же формулу, предположив, что взаимодействие между сталкивающимися пионами возникает из-за того, что их соединяет бесконечно тонкая колеблющаяся нить, подчиняющаяся законам квантовой механики. Этот неожиданный результат дал толчок изобретению моделей, представляющих элементарные частицы в виде сверхмикроскопических одномерных камертонов, вибрирующих на определенных нотах. Их-то и стали называть струнами.

В расцвете лет

Теории струн в этом году исполняется 35 лет (на фото: книга одного из самых влиятельных «струнников» наших дней Джозефа Полчински «Теория струн»)

Теории суперструн в этом году исполняется 35 лет. К чему она пришла и что еще надо сделать? Вот что считает один из самых активных и влиятельных «струнников» наших дней, профессор теоретической физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джозеф Полчински: «Теория струн, несмотря на свою странную историю, возникла не на пустом месте. Пусть ее созданию помог случай, но в то же время оно было неизбежным. Уверен, что этой теории суждено великое будущее. Главное ее достижение в том, что она открыла путь к построению квантовой теории гравитации. На второе место я бы поставил объединение в единой математической структуре всех четырех фундаментальных взаимодействий. Третий успех: теория струн дала возможность разделаться с большинством парадоксов, возникающих при конструировании квантовых моделей черных дыр. Четвертый: она чрезвычайно элегантно обогатила и расширила язык квантовой теории поля и всей математической физики. И наконец, в последние годы теория струн очень помогла современной космологии. В частности, позволила лучше обосновать и проработать концепцию множественного рождения различных вселенных, которую в рамках инфляционной космологии уже давно развивает Андрей Линде.

Что же касается проблем... Теория струн создавалась по частям, по кусочкам. Хотя сейчас мы понимаем ее гораздо лучше, чем раньше, мы еще не создали ключевые математические структуры, которые могли бы лечь в ее основу. Если квантовая механика и ОТО начались с общих уравнений, за которыми последовали приложения, то теория струн пока не нашла такой формулировки. Кроме того, неясно, как подтвердить ее экспериментально. Такие подтверждения в принципе могут прийти как со стороны космологии или астрофизических наблюдений, так и со стороны физического эксперимента. Однако пока теория струн не дает проверяемых предсказаний.

Есть и еще одна специфическая проблема. Издавна считалось, что окончательная теория микромира позволит вывести из первых принципов основные характеристики фундаментальных взаимодействий и частиц — скажем, заряд и массу электрона. Однако из концепции мультивселенной следует существование гигантского разнообразия миров с непохожими физическими законами. В этом случае физические параметры именно нашей Вселенной в принципе невычислимы, поскольку возникли случайным образом, за счет квантовых флуктуаций, запустивших процесс ее рождения. В общем, здесь нет ничего необычного, квантовая механика давно установила, что всё предсказать невозможно. Однако физики-теоретики несколько десятилетий надеялись когда-нибудь окончательно объяснить устройство нашего мира, и отказ от этого идеала многих шокирует.

Я надеюсь, что со временем мы сможем сказать, какие его черты чисто случайны, а какие вытекают из тех или иных глубоких закономерностей рождения вселенных, пока еще нами не понятых. Но вот произойдет ли это через десять или пятьдесят лет, судить я не берусь».