Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

Венециано понимал, что ему нужна математическая функция с некоторыми заданными свойствами, — но что это за функция? Простых полиномов или тригонометрических функций было недостаточно — требовалось что-то посложнее. В конце концов он нашел то, что искал, в работах великого швейцарского математика Леонарда Эйлера, жившего за два столетия до этого. Отдав работу в печать, Венециано отправился в отпуск в Италию, а после возвращения через четыре недели увидел, какое волнение вызвали его результаты. Вскоре подобные формулы были предложены и для других процессов с участием адронов. На каком-то уровне это была просто математическая игра, но, когда три изобретательных физика — Йоитиро Намбу, Хольгер Бек Нильсен и Леонард Сасскинд — присмотрелись к этим уравнениям повнимательнее, они увидели: что-то колеблется.

Струны. Чуть-чуть, но вечно.

Эти трое были весьма несхожи: скромный японец Намбу, неортодоксальный датчанин Нильсен, харизматичный житель Нью-Йорка Сасскинд. Но у всех была общая творческая искра, которая позволила им разглядеть, что на самом деле происходит внутри формулы Венециано. Каждый из них независимо от других понял, что амплитуда Венециано может возникать, если считать адроны не точечными частицами, а крошечными резиновыми лентами. Сейчас мы представляем эти ленты как фундаментальные струны, вытянутые в одном направлении, вибрирующие и колеблющиеся бесконечным количеством различных способов. У Венециано такого представления не было, но он случайно наткнулся на теорию струн. Он нашел правильный неправильный ответ.

Струны настолько малы, что обычно выглядят как частицы. Только при увеличении масштаба вы замечаете, что они имеют протяженность. Они могут быть открытыми или закрытыми, идущими между двумя разными точками пространства или свернутыми в петлю. И когда вы дергаете какую-нибудь струну, она вибрирует. Тогда начинается музыка. Точно так же, как различные колебания гитарной струны могут давать разные музыкальные ноты, колебания фундаментальной струны способны имитировать эффекты различных частиц. Например, чем лихорадочнее вибрации, тем больше энергии хранится в струне. Поскольку масса и энергия эквивалентны, наиболее сильно вибрирующие струны соответствуют самым тяжелым частицам.

На заре теории струн внимание физиков стал привлекать тот спектр струн и частиц, которые они должны представлять. Проблема была с самыми легкими струнами. Самая легкая из всех — та, которую не дергали. Вы можете подумать, что у нее нулевая масса, но это не так. В предыдущей главе мы узнали об энергиях нулевой точки — энергиях, которые вы получаете от неизбежных квантовых колебаний. Для струны они оказываются отрицательными. Если вычислять последствия для самой легкой струны, получается, что масса соответствующей частицы должна быть мнимым числом, пропорциональным квадратному корню из минус одного. Частица получила название тахион — предупреждающий сигнал о нестабильности. Вызвать его к жизни — словно подтолкнуть карандаш, стоящий на конце: происходит падение. Что касается зарождающейся теории струн, то тахион нужно было изгонять.

На один уровень выше тахиона теория струн столкнулась с проблемами экспериментальных данных. Выяснилось, что струны, за которые дергают аккуратно, должны иметь нулевую массу, если требуется совмещать их с теорией относительности. Они также должны обладать спином. Это представляло проблему, поскольку теория струн создавалась как модель для адронов, а, как показывали эксперименты, адронов с такими свойствами не существовало. Все стало еще хуже, когда физик британского происхождения Клод Лавлейс, начавший изучать общую теорию относительности и квантовую механику в возрасте всего лишь пятнадцати лет, сделал тревожное открытие.

В теории струн не предполагается изначальное существование каких-либо размерностей пространства и времени: они фактически возникают из лежащей в основе теории. Вы начинаете с фундаментальной струны, растянутой только в одном пространственном измерении, и воображаете, что она заполнена несколькими полями, которые принимают разные значения в каждой точке этой струны. Затем эти поля могут кодировать координаты струны в полном пространстве-времени; таким образом, чем больше у вас полей, тем больше будет в целом размерность пространства-времени. Лавлейс понял, что струны будут совместимы с квантовой механикой только при наличии двадцати шести таких полей. Иными словами, пространство-время должно иметь размерность 26. Одно временное измерение и двадцать пять пространственных — это несколько больше, чем тот трехмерный мир, к которому вы почти наверняка привыкли. Позже Лавлейс заметит: «Нужно обладать смелостью, чтобы предположить, что пространство-время имеет двадцать шесть измерений».

Это было в 1971 году, и примерно в то же время струны стали суперструнами. Это вовсе не какая-то примитивная маркетинговая стратегия. Теорию струн дополнила причудливая новая симметрия — суперсимметрия. Впервые мы столкнулись с ней в главе «0,0000000000000001», когда пытались контролировать массу бозона Хиггса. Детали другие, но принцип тот же: каждый фермион — партнер бозона, а каждый бозон — партнер фермиона. В теории струн такое партнерство принесло некоторое улучшение: размерность пространства-времени уменьшилась с двадцати шести до жалких десяти измерений, а тахион был успешно изгнан. Но этого оказалось явно недостаточно. Струны начали терять свою привлекательность. В качестве модели адронов их место заняла квантовая хромодинамика. Данные экспериментов стали показывать, что протоны, нейтрино, пионы и все остальные частицы состоят из кварков и глюонов калейдоскопических цветов. В конце концов, амплитуда Венециано не давала правильных ответов для сталкивающихся адронов при все более высоких энергиях. Теория струн была хороша, но при этом практически бесполезна.

Или нет?

Ее красота очаровала молодого американского физика Джона Шварца. В Калифорнийском технологическом институте он наткнулся на родственную душу — блестящего молодого француза Жоэля Шерка. Два дарования еще раз взглянули на самые легкие струны. Запрещенный суперсимметрией тахион исчез, но что должно происходить с безмассовыми струнами? У Шерка и Шварца случилось замечательное прозрение, то же произошло с японским физиком Тамиаки Ёнэя по другую сторону Тихого океана. Трое ученых заметили, что безмассовые струны ужасно похожи на глюоны физики элементарных частиц и гравитоны общей теории относительности. Какие там адроны — теория струн могла быть теорией квантовой гравитации. Да она могла бы стать даже теорией всего.

Возможно, вы сейчас подумали, что в этот момент мир остановился и все физики бросились к струнам, как золотоискатели, жаждущие найти какое-нибудь месторождение. Но этого не произошло. Теория струн оставалась на периферии науки еще десяток лет. В 1970-х и начале 1980-х интеллектуальные тяжеловесы больше занимались физикой элементарных частиц, успешно продвигаясь как в теории, так и в экспериментах. Теория струн оказалась на обочине. Его репутация не улучшилась, когда дальнейшие исследования выявили потенциальное противоречие с квантовой механикой даже в случае десяти измерений. К сожалению, Жоэль Шерк так и не увидел триумф теории струн. К концу 1970-х у него случился нервный срыв. Иногда он ползал по улицам Парижа, а иногда отправлял странные телеграммы