Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей пространства - Лиза Рэндалл

На многих кафедрах физики теория суперструн вытеснила физику частиц, и суперсимметричная революция все больше напоминала переворот. Так как теория суперструн включает квантовую гравитацию и может содержать известные частицы и взаимодействия, многие физики зашли настолько далеко, что стали думать об этой теории как об окончательной теории, лежащей в основе всего. Действительно, в 1980-е годы теорию струн окрестили «Теорией Всего Сущего» (или ТВС). Теория струн была более амбициозна, чем даже ТВО: с помощью теории струн физики надеялись объединить все взаимодействия (включая гравитацию) при энергиях выше даже той энергии, которая ассоциируется с ТВО. Не имея ни одного экспериментального доказательства в пользу теории струн, многие физики решили, что способность теории струн к соединению квантовой механики и гравитации является достаточным основанием поддержать ее претензии на выдающееся положение.

Стойкость старого режима

Если теоретики — струнники правы и мир в конечном счете состоит из фундаментальных колеблющихся струн, то нужно ли прекратить занятия всей физикой частиц? Ответом является громкое «Нет». Целью теории струн является согласование квантовой механики и теории гравитации на расстояниях, меньших планковского масштаба длины, где, как мы полагаем, вступает в действие новая теория. Поэтому в рамках общепринятой теории струн (в противоположность вариантам, предлагаемым моделями с дополнительными измерениями) размер струны должен быть порядка планковского масштаба длины. Из этого следует, что в общепринятой теории струн различия между физикой частиц и теорией струн могут проявиться только на этих крохотных планковских масштабах длины или, эквивалентно, на ультравысоких планковских масштабах энергии, где считается, что гравитация становится сильной. Соответствующий размер настолько мал, а энергия настолько велика, что струны никак не смогут избежать описания на языке частиц при экспериментально доступных энергиях.

Для энергий ниже планковского масштаба энергий описание на языке физики частиц на самом деле вполне адекватно. Если струна настолько мала, что ее длина является недетектируемой, то она может с тем же успехом считаться частицей; ни один эксперимент не обнаружит разницы. Частицы и струны планковской длины неразличимы. Одномерная протяженность струны столь же невидима нами, как и крохотные свернутые дополнительные измерения, которые мы рассматривали выше. Пока у нас нет приборов, которые могли бы манипулировать с размерами порядка 10~33 см, такая струна слишком мала, чтобы мы ее увидели.

То, что теория струн и физика частиц выглядят одинаково при доступных энергиях, имеет глубокий смысл. Соотношение неопределенностей утверждает, что единственный способ изучения малых расстояний — использование частиц с большими импульсами, которые обладают очень большой энергией. Поэтому, если вы не обладаете достаточной энергией, у вас нет способа увидеть, что струна на самом деле длинная и тонкая, а не точечная.

В принципе можно искать свидетельства в поддержку теории струн, занимаясь поиском множества предсказываемых этой теорией частиц, соответствующих многим возможным осцилляциям струны. Трудность такой стратегии состоит в том, что большинство новых порожденных струной частиц должно быть очень тяжелыми, с массами порядка планковского масштаба масс 1019 ГэВ. Эта масса чудовищно велика по сравнению с массами экспериментально наблюдаемых частиц, самая тяжелая из которых имеет массу около 200 ГэВ.

Дополнительные частицы, которые должны возникать из колебаний струны, должны быть настолько тяжелыми по той причине, что натяжение струны, т. е. ее сопротивляемость растяжению, определяющая, насколько легко струна будет колебаться и порождать новые частицы, должно быть велико. Натяжение струны определяется планковским масштабом энергий. В теории струн это натяжение требуется для того, чтобы воспроизвести правильную интенсивность взаимодействия гравитона, а следовательно и самой гравитации. Чем больше натяжение струны, тем больше требуется энергии на то, чтобы порождать колебания (аналогично тому, как туго натянутую струну труднее дергать по сравнению со слабо натянутой). И эта большая энергия переводится в большую массу дополнительных частиц, порожденных струной. Такие частицы планковской массы слишком массивны, чтобы рождаться в каком-либо проводимом сегодня (и, вероятно, в будущем) эксперименте.

Итак, даже если теория струн правильна, нам вряд ли удастся найти множество дополнительных тяжелых частиц, которые она предсказывает. Энергия современных экспериментов на шестнадцать порядков величины меньше требуемой. Поскольку дополнительные частицы необычайно тяжелы, перспективы открытия экспериментальных свидетельств существования струн крайне слабы, если не считать возможного исключения — моделей с дополнительными измерениями, о которых мы поговорим ниже.

Из-за того, что длина струн столь мала, а натяжение так велико, в большинстве сценариев теории струн мы не найдем при доступных на ускорителях энергиях ни одного свидетельства в поддержку теории струн, даже если теория струн правильна. Физики-частичники, интересующиеся предсказанием экспериментальных результатов, вполне могут применять общепринятую четырехмерную квантовую теорию поля, игнорировать теорию струн и при этом все же получать правильные результаты. До тех пор пока вы изучаете только размеры, большие 10-33 см (или, эквивалентно, энергии ниже 1019 ГэВ), ничто из того, что мы рассматривали ранее относительно низкоэнергетических следствий физики частиц, не изменится. Полагая, что размер протона порядка 10-13 см, а максимальная энергия, достижимая на современных ускорителях, порядка тысячи ГэВ, можно спокойно делать ставку на то, что предсказаний физики частиц вполне достаточно.

Но даже если это так, у физиков-частичников, занимающиеся низкоэнергетическими явлениями, есть веские причины уделить внимание теории струн. Б этих теориях вводятся новые идеи, как математические, так и физические, которые никто ранее не рассматривал, например, браны и другие понятия, связанные с дополнительными измерениями. Даже в четырех измерениях теория струн проложила путь к углубленному пониманию суперсимметрии, квантовой теории поля и взаимодействий, которые могла бы содержать модель квантовой теории поля. И конечно, если теория струн действительно дает полностью согласованное квантово-механическое описание гравитации, это было бы потрясающим достижением. Все эти преимущества делают теорию струн весьма стоящей даже для тех, кто полностью сосредоточился на экспериментально доступных явлениях. Хотя обнаружить струны будет очень трудно (если вообще возможно), теоретические идеи, озаренные светом теории струн, могут иметь отношение к нашему миру. Вскоре мы увидим, как это может случиться.

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.