Суперструны

Темпы современных исследований таковы, что с тех пор, как английское издание книги было направлено в печать, в развитии программы Великого объединения достигнуты дальнейшие успехи – создана так называемая теория суперструн.

При обычном подходе к построению модели мира предполагается, что все вещество состоит из частиц, а поиск фундаментальных частиц является главной целью физики высоких энергий. Как мы видели, даже поля, описывающие силы природы, получают интерпретацию с помощью частиц – переносчиков взаимодействия. Но теперь этому фундаментальному предположению брошен вызов. По‑видимому, мир состоит не из частиц, а из струн.

Теория струн возникла в 60‑е годы при попытках выяснить внутреннее строение адронов. Оказывается, что кварки, связанные друг с другом снующими внутри адронов глюонами, в некотором отношении ведут себя подобно нитям, или струнам. Теория сначала вызвала определенный интерес, однако не была вполне успешной. В частности, обнаружилось, что при определенных условиях струны двигались бы быстрее света, что абсолютно недопустимо. Развитие тематики, связанной со струнами, приостановилось, и большинство физиков обратились к другим проблемам, а теория поддерживалась главным образом усилиями Майкла Грина из Колледжа королевы Марии при Лондонском университете и Джона Шварца из Калифорнийского технологического института, США.

Затем в середине 70‑х годов теория струн получила значительное развитие, которое в конечном счете привело к превращению заумной старой теории в нечто несравненно более мощное и элегантное. В это время теория элементарных частиц находилась под большим влиянием концепции суперсимметрии, и теоретики исследовали результаты перехода к суперсимметричным струнам. При этом выяснилось, что новые «суперструны» имеют огромные преимущества перед старыми струнами. Во‑первых, из теории было исключено сверхсветовое движение. Во‑вторых, в пределе низких энергий теория выглядела весьма обычной – очень напоминала супергравитацию. Стало складываться впечатление, что теория суперструн может оказаться значительно более широкой, нежели просто теория адронов. Затем в 1982 г. Грин и Шварц обнаружили, что суперсимметрия позволяет изгнать бесконечности в случае струн аналогично тому, как это делает теория частиц.

Бесконечности при высоких энергиях, вызывавшие столько беспокойства в теориях частиц и старой теории струн, в определенном классе теорий суперструн полностью исчезли.

Однако лишь в 1983 г. произошло то, что заставило физиков обратить серьезное внимание на теорию суперструн. Речь идет о замечательном математическом свойстве этой теории, которое казалось «слишком хорошим, чтобы быть верным». Один из недостатков физики квантовых частиц носит название проблемы аномалий. Под этим безобидным термином понимают появляющиеся в квантовой теории математические члены, которые согласно фундаментальным свойствам симметрии, присущим теории еще до квантования, должны быть равны нулю. Иными словами, придание теории квантового характера вызывает неожиданное появление в ней членов, которые «не имеют права» на существование. Эти члены нарушают последовательность теории и могут приводить к столь нежелательным последствиям, как нарушение законов сохранения энергии и электрического заряда. Поразительное свойство конкретного варианта теории суперструн, исследованной Грином и Шварцем, состоит в неожиданной перегруппировке математических членов, которая точно компенсирует и устраняет аномалии! По словам Майкла Грина, «происходит сокращение слагаемых, от которых ничего подобного нельзя было ожидать». Таким образом, теория удивительным образом освобождается от аномалий.

Устранения аномалий оказалось достаточно, чтобы привлечь к теории суперструн внимание других известных теоретиков; но это было лишь начало. Выяснилось, что сокращение происходит лишь в том случае, когда суперструны конструируются на основе очень частного вида калибровочной симметрии (она известна как группа SO (32), или E 8 x E 8). В отличие от теории частиц, где можно свободно выбирать среди многих конкурирующих видов калибровочной симметрии, в последовательной теории суперструн выбор разрешенной калибровочной группы почти однозначен. Обе допустимые группы включают уже известные – например группу SU (3), связанную со слабыми, сильными и электромагнитными силами. Этот факт указывает на сходство теории суперструн со стандартной физикой частиц в области низких энергий.

Последнее обстоятельство, сразу обеспечившее теории суперструн хорошую репутацию, заключается в том, что эту теорию. Следует формулировать в пространстве‑времени с десятью измерениями. В прошлом считалось, что высокая размерность теории суперструн делает ее безнадежно нереалистической, однако по прошествии нескольких лет под влиянием теорий Калуцы‑Клейна физики восприняли идею высокой размерности довольно спокойно. В конце концов с нежелательными высокими размерностями всегда можно справиться с помощью «компактификации».

Однако десятимерная теория имеет важное математическое преимущество по сравнению с одиннадцатимерной теорией Калуцы‑Клейна. Как показал Эд Уиттен из Принстона, любая теория, формулируемая в пространстве нечетной размерности, обладает серьезным недостатком. Речь идет о существовании в природе «врожденной» закрученности вправо или влево – «киральности». Как отмечалось, слабое взаимодействие вносит в физику асимметрию между левым и правым, и к четырехмерной теории киральной вселенной можно прийти лишь в том случае, если исходить из теории с четным числом измерений. Это препятствие, весьма серьезное для теории Калуцы‑Клейна, полностью устранено в десятимерной теории суперструн.

Основное преимущество струн перед частицами состоит в их поведении при высоких энергиях. При низких энергиях струны ведут себя вполне аналогично частицам, однако с приближением к энергии Планка становятся существенными внутренние движения – струны начинают «вибрировать». Это резко меняет математическую структуру теории как раз там, где обычная теория начинает давать сбои и приводит к нежелательным бесконечностям. Благодаря объединению суперсимметрии и внутреннего движения струн становится весьма вероятным полное избавление от этих бесконечностей.

Таким образом, теории суперструн, возникшие из скромных попыток смоделировать некоторые свойства адронов, приобрели статус вполне зрелой программы объединения взаимодействий. Эти теории делятся на два класса: струны со свободными концами и струны в виде замкнутых петель. Грин и Шварц предпочли сначала вариант струн со свободными концами, однако в этом случае допустима лишь группа симметрии SU (32). Некоторые теоретики обнаружили, что более привлекательна другая группа E 8, в частности потому, что позволяет построить теорию как чисто гравитационную и извлечь из нее другие силы, подобно тому как это делается в теории Калуцы‑Клейна.

Буква Е указывает здесь на особый характер группы (англ. exceptional.), которая названа так, поскольку ее существование математически неочевидно. В модели замкнутых струн используется удвоенная группа E 8 (обозначаемая E 8 x E 8), что открывает интересную возможность: предсказывается существование двух различных миров – по одному на каждую группу Е. Частицы в каждом из этих миров обладают всеми обычными свойствами, включая способность взаимодействовать друг с другом посредством различных сил природы. Однако у частиц в «другом» мире будет существовать свой собственный идентичный набор иных взаимодействий. Таким образом, между частицами из разных миров не будет прямого взаимодействия, за исключением гравитации. Гравитационные эффекты, обусловленные веществом «иного» мира, будут проявляться и в «этом» мире.

Это приводит к фантастической идее о существовании «призрачной вселенной», взаимопереплетенной с реальной Вселенной, но во многом остающейся незаметной. Так, может существовать «призрачная материя», проникающая в вас в данный момент; ее слабое гравитационное воздействие не способно вызвать заметные эффекты. Вместе с тем «призрачная» планета, проходящая через Солнечную систему, могла бы сдвинуть Землю с ее орбиты. «Призрачную» черную дыру нельзя отличить от черной дыры из обычного вещества. Очень существенно, что космологам давно известно о существовании во Вселенной огромного количества невидимого вещества, вызывающего гравитационное возмущение, но в остальном остающегося совершенно незаметным. Возможно, что это невидимое вещество и есть «призрачная материя».

Уиттен отозвался о теории суперструн как о «безусловном чуде» и уверенно предсказал ей ведущую роль в физике в предстоящие пятьдесят лет. Будущее покажет, насколько оправданна или преждевременна такая эйфория, однако предстоит большая работа. Как и теория Калуцы‑Клейна, теория суперструи имеет всеобъемлющий характер. Это означает, что, начиная с Суперсилы – всеобщего и изящного объединения частиц и взаимодействий при сверхвысоких энергиях, теория в конечном счете так или иначе должна вернуться к описанию обычных физических явлений. Если теория вообще претендует на установление контакта с экспериментальной физикой, то необходим переход от струн в десяти измерениях к свойствам частиц в четырех измерениях при низких энергиях. В настоящее время математические проблемы, связанные с подобным шагом, кажутся непреодолимыми. Тем не менее концепция, которая известна под названием «теория всего сущего», – программа полного объединения в форме теории Калуцы‑Клейна или суперструн – столь привлекательна, что многие талантливые теоретики с нетерпением ждут возможности испробовать свои силы.