Струны, точки и квантовая гравитация

У теории струн есть много других существенных свойств, и её развитие значительно расширило то схематическое описание, которое я изложил. В этой главе (а также в главах 5, 6 и 9) мы познакомимся с некоторыми наиболее важными достижениями, но сейчас я хотел бы подчеркнуть три особо важных момента.

Во-первых, когда учёные физики предлагают модель описания природы с помощью квантовой теории поля, они также выбирают поля, которые войдут в теорию. Этот выбор диктуется экспериментальными ограничениями (каждый известный тип частиц определяет отбор соответствующего поля), а также теоретическими предпосылками (гипотетические частицы и их поля, такие как инфлатон и поле Хиггса, вводятся для изучения открытых и спорных вопросов). Главным примером является Стандартная модель. Рассматриваемая как венец достижений физики частиц XX столетия благодаря своей способности правильно описывать огромное количество данных, собранных на ускорителях частиц по всему миру, Стандартная модель является квантовой теорией поля, в которой присутствуют пятьдесят семь различных квантовых полей (это поля, соответствующие электрону, нейтрино, фотону и различным типам кварков — u -кварку, d -кварку, c -кварку и так далее). Стандартная модель, безусловно, крайне успешна, но многие физики полагают, что по-настоящему фундаментальное понимание не требует такого разношёрстного набора ингредиентов.

Впечатляющее свойство теории струн состоит в том, что частицы определяются самой теорией: разные типы частиц соответствуют разному вибрационному поведению струны. И поскольку вибрационное поведение задаёт свойства соответствующей частицы, то если мы поймём теорию настолько хорошо, что определим все типы вибрационного поведения, мы сможем объяснить все свойства всех частиц. Тогда потенциал и перспективы теории струн заключаются в том, чтобы превзойти квантовую теорию поля путём получения всех свойств частиц математически. Это не только объединит всё на свете под зонтиком вибрирующих струн, а также покажет, что будущие «сюрпризы» — как, например, открытие неизвестных пока типов частиц — встроены в теорию струн с самого начала и в принципе будут доступны при достаточно упорных вычислениях. Теория струн строится не последовательными приближениями к полному описанию природы. Она предлагает полное описание с самого начала.

Во-вторых, среди возможных вибраций струны есть одна, обладающая всеми нужными свойствами для того, чтобы быть квантовой частицей гравитационного поля. Хотя дострунные попытки свести воедино гравитацию и квантовую механику оказались неудачными, исследования выявили свойства, которыми будет обладать гипотетическая частица — получившая название гравитон, — соответствующая квантовому гравитационному полю. Было показано, что гравитон должен быть безмассовым, не иметь заряда и обладать квантово-механическим свойством, известным как спин -2. (Грубо говоря, гравитон должен вращаться как волчок, причём в два раза быстрее, чем фотон.)39 Замечательно, что первые струнные теоретики — Джон Шварц, Джоэл Шерк и, независимо от них, Тамиаки Йонея — обнаружили, что в списке струнных вибраций присутствует именно такая вибрация, свойства которой соответствуют гравитону. В точности соответствуют. Когда в середине 1980-х годов были выдвинуты убедительные доводы в пользу того, что теория струн является математически согласованной квантово-механической теорией (в основном благодаря работам Шварца и его соавтора Майкла Грина), присутствие гравитонов означало, что теория струн является давно искомой квантовой теорией гравитации. Этот пункт в списке достижений теории струн наиболее важен, именно поэтому она так быстро воспарила к вершинам мировой научной известности.[12]40

В-третьих, как бы ни была радикальна теория струн, она идёт по проторённому пути, известному в истории физики. Обычно, новые и успешные теории не игнорируют предыдущие достижения. Наоборот, успешные теории, как правило, включают в себя добытые ранее знания, тем самым значительно расширяя область физических явлений, которые можно аккуратно описать. Специальная теория относительности расширяет наше понимание мира высоких скоростей; общая теория относительности идёт дальше и учитывает большие массы (там, где действуют сильные гравитационные поля); квантовая механика и квантовая теория поля вводят нас в мир малых расстояний. Понятия, привлекаемые этими теориями, и предсказываемые ими свойства не похожи ни на что известное ранее. Более того, если применять эти теории в привычных рамках доступных нам скоростей, размеров и масс, они сведутся к описаниям, открытым до XX столетия — к классической механике Ньютона и классическим полям Фарадея, Максвелла и других.

Возможно, теория струн является следующим и окончательным шагом на этом пути. В единых рамках она описывает области, подвластные релятивизму и квантам. Более того, важно то, что в теории струн это происходит таким образом, что охватываются все открытия, сделанные ранее. Может показаться, что теория, основанная на вибрирующих нитях, не имеет ничего общего с картиной гравитации как искривлённого пространства-времени, диктуемой общей теорией относительности. Тем не менее, применив теорию струн в ситуации, когда гравитация существенна, а квантовая механика нет (например, для массивного объекта большого размера, такого как Солнце), вы получите уравнения Эйнштейна. Вибрирующие нити и точечные частицы тоже мало похожи. Однако, применив теорию струн в ситуации, когда существенна квантовая механика, а гравитация нет (например, для небольших наборов медленно вибрирующих и движущихся с большой скоростью струн, или для сильно растянутых струн; энергия таких струн мала, что эквивалентно малости массы — поэтому гравитацией можно пренебречь), вы увидите, что математика теории струн трансформируется в математику квантовой теории поля.

На рис. 4.3 показаны логические связи между основными теориями, развитыми со времён Ньютона. Теория струн могла бы претендовать на существенный отрыв от своих предшественников и отступить от нарисованной схемы. Замечательно, что этого не происходит. Теория струн достаточно революционна для преодоления барьеров физики двадцатого столетия. При этом она достаточно консервативна, чтобы прошедшие три столетия открытий смогли уютно разместиться в её математическом аппарате.

Рис. 4.3. Взаимосвязи между основными теоретическими достижениями в физике. С исторической точки зрения, новые и успешные теории расширяют границы нашего понимания (более высокие скорости, бо́льшие массы, меньшие расстояния) и сводятся к предыдущим теориям в менее экстремальных физических условиях. Теория струн следует именно такому пути прогресса — расширяет границы понимания, и при определённых условиях сводится к общей теории относительности и квантовой теории поля