Страница:
Это изменение точки зрения имеет потенциально далеко идущие последствия. В простейшей перенормируемой версии стандартной модели возникают некоторые «случайные» законы сохранения помимо реальных фундаментальных законов сохранения, вытекающих из симметрий специальной теории относительности и внутренних симметрий, определяющих существование фотона, W, Z и глюонов. Среди этих случайных законов сохранения присутствуют закон сохранения кваркового числа (равного разности полного числа кварков и антикварков) и лептонного числа (равного разности полного числа электронов, нейтрино и аналогичных частиц и полного числа соответствующих античастиц). Если выписать все возможные слагаемые в уравнениях поля, которые совместимы с фундаментальными симметриями стандартной модели и условием перенормируемости, обнаруживается, что в уравнениях поля не появляется слагаемого, которое может привести к нарушению указанных дополнительных законов сохранения. Именно законы сохранения лептонного и кваркового числа не допускают существование процессов типа распада трех кварков в протоне на позитрон и фотон, т.е. эти законы сохранения обеспечивают стабильность обычной материи. Однако сейчас мы полагаем, что сложные неперенормируемые слагаемые в уравнениях поля, приводящие к нарушению законов сохранения лептонного, и кваркового чисел, все же есть, но они очень малы. Эти малые слагаемые в уравнениях поля индуцируют распад протона (например, на позитрон и фотон или какую-нибудь другую нейтральную частицу), но время жизни протона относительно такого распада очень велико, порядка 1032лет или чуть меньше или больше. Это число лет совпадает с числом протонов в 100 тоннах воды, так что, если предсказание верно, то в среднем за один год в 100 тоннах воды должен распасться один протон. Поиски такого распада протона безуспешно ведутся уже много лет, но скоро должна войти в строй установка в Японии, где в 10 000 тонн воды будут тщательно искать вспышки света, сигнализирующие о распаде протона. Может быть, этот опыт что-нибудь прояснит.
Между тем, появились интригующие гипотезы о возможном нарушении закона сохранения лептонного числа. В стандартной модели этот закон сохранения ответственен за то, чтобы нейтрино были безмассовыми, но если этот закон нарушается, то можно ожидать, что у нейтрино есть маленькие массы порядка 10−5эВ (т.е. порядка одной миллионной массы электрона). Эта масса намного меньше той, которую могли обнаружить любые лабораторные эксперименты, проведенные до настоящего времени, но тем не менее, ее наличие может приводить к тонкому эффекту, позволяющему нейтрино электронного типа (т.е. принадлежащего к тому же семейству, что и электрон) медленно превращаться в нейтрино других типов. Это могло бы объяснить давнишнюю загадку нехватки тех нейтрино, которые приходят к нам от Солнца, по сравнению с теоретическими ожиданиями[177]. Нейтрино, образующиеся в ядре Солнца, принадлежат в основном к электронному типу, и детекторы, используемые на Земле для регистрации солнечных нейтрино, чувствительны только к нейтрино электронного типа, так что нехватка электронных нейтрино[178] может объясняться тем, что по пути от Солнца часть этих нейтрино превращается в нейтрино других типов. Эксперименты по проверке этой идеи проводятся с помощью разных детекторов в Южной Дакоте, Японии, Италии, Канаде и на Кавказе32).
Если нам повезет, то будут обнаружены свидетельства распада протона или наличия массы у нейтрино. Возможно, что на существующих ускорителях, например на протон-антипротонном коллайдере в Фермилабе или на электрон-позитронном коллайдере в ЦЕРНе, найдут свидетельства существования суперсимметрии. Но все это происходит ужасающе медленно. Заключительные доклады на всех конференциях по физике элементарных частиц за последние десять лет содержали один и тот же список пожеланий для экспериментаторов. Все это страшно далеко от действительно вселявших вдохновение прошлых лет, когда каждый месяц студенты-старшекурсники метались по коридорам физического факультета, рассказывая очередную новость о важном открытии. Только благодаря фундаментальной важности физики элементарных частиц, яркие студенты все еще приходят заниматься областью науки, в которой почти ничего не происходит.
Мы уверены, что это положение изменится, если будет завершено строительство ССК. Планировалось, что его энергия и интенсивность пучка будут достаточными, чтобы решить вопрос о механизме нарушения электрослабой симметрии, либо в результате открытия одной или более хиггсовских частиц, либо в результате обнаружения следов новых сильных взаимодействий. Если ответом на проблему иерархии является суперсимметрия, то и она может быть обнаружена на ССК. С другой стороны, если новые сильные взаимодействия будут найдены, это сразу повлечет за собой обнаружение на ССК большого количества новых частиц с массами порядка 1 000 ГэВ, которые нужно будет исследовать прежде, чем мы сможем высказать предположение, что же происходит при еще больших энергиях, когда объединяются все силы, включая гравитацию. В любом случае, физика частиц вновь двинется вперед. Битва физиков, занимающихся частицами, за строительство ССК была вызвана убеждением, что только данные, полученные на новом ускорителе, вселят в нас уверенность, что наша работа будет продолжаться.
Глава IX. Контуры окончательной теории
Вполне возможно, что нас отделяют века от окончательной теории, и она окажется совершенно непохожей на то, что мы способны сегодня вообразить. Но допустим на мгновение, что эта теория совсем близко, за углом. Что мы можем в этом случае сказать о ней на основании уже известных нам знаний?
Один из разделов современной физики, который, по моему мнению, сохранится неизменным в окончательной теории – квантовая механика. Дело не только в том, что квантовая механика является основой всех наших представлений о материи и разных взаимодействиях и прошла невиданно жесткую экспериментальную проверку; более важно то, что никому не удалось придумать способ хоть как-нибудь изменить квантовую механику, который сохранил бы все ее достоинства, но не привел бы к логическим противоречиям.
Хотя квантовая механика является как бы сценой, на которой разыгрываются все явления природы, сама по себе эта сцена пуста. Квантовая механика позволяет вообразить бесчисленное множество возможных физических систем: систем, состоящих из частиц любого сорта и взаимодействующих самым разным образом, и даже систем, вообще не состоящих из частиц. История физики в ХХ в. отмечена все возрастающим пониманием того, что актеров в драме, разыгрывающейся на квантовой сцене, определяют принципы симметрии. Современная стандартная модель сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий основана на симметриях, а именно на пространственно-временных симметриях специальной теории относительности, которые требуют, чтобы стандартная модель была сформулирована на языке теории полей, и на внутренних симметриях, требующих существования электромагнитного и других полей, переносящих взаимодействия. Тяготение тоже можно понять с помощью принципов симметрии, заложенных в эйнштейновскую общую теорию относительности и утверждающих, что законы природы не должны меняться в результате любых возможных изменений нашего описания событий в пространстве и времени.
На основании векового опыта общепризнано, что окончательная теория должна покоится на принципах симметрии. Мы ожидаем, что эти симметрии объединят тяготение со слабыми, электромагнитными и сильными взаимодействиями стандартной модели. Но за прошедшие десятилетия мы так и не узнали, каковы эти симметрии, и не сумели построить удовлетворительной квантовой теории гравитации, включающей симметрии общей теории относительности.
Возможно, мы близки к переменам. За последнее десятилетие бурно развивался радикально новый подход к квантовой теории гравитации, а может быть, и ко всему остальному, – теория струн. Эта теория является первым приемлемым кандидатом на окончательную теорию.
Корни теории струн восходят к 1968 г., когда теоретики пытались понять, как устроены сильные взаимодействия, не обращаясь к квантовой теории полей, не пользовавшейся тогда популярностью. Молодой теоретик из ЦЕРНа Габриэле Венециано сумел просто угадать формулу, определявшую вероятности рассеяния двух частиц на разные углы при разных энергиях и обладавшую некоторыми общими свойствами, которые вытекали из принципов теории относительности и квантовой механики. Используя известные математические приемы, которые в свое время проходит каждый студент-физик, он сумел построить поразительно простую формулу, удовлетворявшую всем необходимым условиям. Формула Венециано привлекла всеобщее внимание. Вскоре другие теоретики обобщили ее и положили в основу систематической приближенной схемы. В те годы никто и не помышлял о возможном применении этих идей к квантовой теории тяготения. Вся работа мотивировалась надеждой лучше понять сильные ядерные взаимодействия. (До создания правильной теории сильных взаимодействий – квантовой теории поля, известной под названием квантовая хромодинамика, оставалось еще несколько лет.)
В процессе работы стало ясно[179], что формула Венециано и ее расширения и обобщения – не просто удачные догадки, а теория физических сущностей нового типа, получивших название релятивистских квантово-механических струн. Конечно, обычные струны состоят из частиц – протонов, нейтронов, электронов. Но новые струны совсем другие: предполагается, что протоны и нейтроны состоят из них. Дело обстояло не так, будто на кого-то сошло вдохновение и он догадался, что материя построена из струн, а затем начал строить соответствующую теорию; на самом деле теория струн была построена до того, как кто-то понял, что это такое.
Струны можно представить себе как крохотные одномерные разрезы на гладкой ткани пространства. Струны могут быть открытыми, с двумя свободными концами, или замкнутыми, как резиновая лента. Пролетая в пространстве, струны вибрируют. Каждая из струн может находиться в любом из бесконечного числа возможных состояний (мод) колебаний, похожих на обертоны, возникающие при колебаниях камертона или скрипичной струны. Со временем колебания скрипичной струны затухают, так как энергия этих колебаний переходит в энергию случайного движения атомов, из которых скрипичная струна состоит, т.е. в энергию теплового движения. Напротив, струны, о которых сейчас идет речь, поистине фундаментальные составные части материи, и могут продолжать колебаться бесконечно долго. Они не состоят из атомов или чего-то в этом роде, поэтому энергии их колебаний не во что переходить[180].
Предполагается, что струны очень малы, так что если разглядывать их с достаточно больших расстояний, они кажутся точечными частицами. Так как струна может находиться в любой из бесконечно большого числа возможных мод колебаний, она выглядит как частица, которая может принадлежать к одному из бесконечно большого числа возможных сортов, соответствующих определенной моде колебаний струны.
Первые варианты теории струн[181] были не свободны от трудностей. Вычисления показывали, что среди бесконечно большого числа мод колебаний замкнутой струны существует одна мода, в которой струна выглядит как частица с нулевой массой и спином, вдвое большим, чем у фотона[182]. Напомним, что развитие теории струн началось с попытки Венециано понять сильные ядерные взаимодействия, так что первоначально эта теория рассматривалась как адекватное описание сильного взаимодействия и участвующих в нем частиц. Неизвестна ни одна частица такой массы и с таким спином, принимающая участие в сильных взаимодействиях, более того, мы полагаем, что если бы такая частица существовала, она должна была бы быть давно обнаружена, так что налицо серьезное противоречие с экспериментом.
Но все дело в том, что частица с нулевой массой и спином, вдвое большим, чем у фотона, существует. Но это не частица, принимающая участие в сильных взаимодействиях, это гравитон, квант гравитационного излучения. Более того, с 60-х гг. было известно, что любая теория, в которой присутствует частица такого спина и такой массы, должна выглядеть более или менее похоже на общую теорию относительности[183]. Та безмассовая частица, которая была теоретически обнаружена в ранних версиях теории струн, отличалась от истинного гравитона только в одном важном пункте – обмен этой новой частицей должен был порождать силы, напоминавшие гравитационные, но только в 1029раз более сильные.
Как часто бывает в физике, теоретики, занимавшиеся струнами, нашли правильное решение неправильно поставленной задачи. В начале 80-х гг. теоретики все больше и больше стали приходить к убеждению, что новые безмассовые частицы, возникшие как математическое следствие уравнений струнных теорий, являются не сильновзаимодействующим аналогом гравитона, а самым настоящим гравитоном[184]. Чтобы при этом гравитационное взаимодействие имело правильную интенсивность, нужно было увеличить коэффициент натяжения струн в основных уравнениях теории до такой степени, чтобы разность энергий между наинизшим и следующим по величине энергетическими состояниями струны составляла не пустячную величину порядка нескольких сот миллионов эВ, характерную для ядерных явлений, а величину порядка планковской энергии 1019ГэВ, когда гравитационное взаимодействие становится столь же сильным как и другие взаимодействия. Эта энергия так велика, что все частицы стандартной модели – кварки, глюоны, фотоны – должны быть сопоставлены с наинизшими модами колебаний струны, в противном случае, требовалось бы так много энергии на то, чтобы их породить, что мы никогда не смогли бы эти частицы обнаружить.
С этой точки зрения квантовая теория поля типа стандартной модели представляет собой низкоэнергетическое приближение к фундаментальной теории, которая является совсем не теорией полей, а теорией струн. Сейчас мы полагаем, что квантовые теории полей работают столь успешно при энергиях, доступных современным ускорителям, совсем не потому, что окончательное описание природы возможно на языке квантовой теории поля, а потому, что любая теория, удовлетворяющая требованиям квантовой механики и специальной теории относительности, при достаточно малых энергиях выглядит как квантовая теория поля. Мы все больше и больше воспринимаем стандартную модель как эффективную квантовую теорию, причем прилагательное «эффективная» служит для напоминания, что все такие теории суть лишь низкоэнергетические приближения к совершенно другой теории, возможно, теории струн. Стандартная модель – сердцевина современной физики, но такое изменение отношения к квантовой теории поля может означать начало новой эры постмодерна.
Так как теории струн включают в себя гравитоны и еще кучу других частиц, впервые возникает основа для построения возможной окончательной теории. Действительно, поскольку представляется, что наличие гравитона – неизбежное свойство любой теории струн, можно сказать, что такая теория объясняет существование гравитации. Эдвард Виттен, ставший позднее ведущим специалистом по теории струн, узнал об этой стороне теории в 1982 г. из обзорной статьи теоретика Джона Шварца. Он вспоминает, что эта мысль стала «величайшим интеллектуальным потрясением в моей жизни»[185].
Похоже, что теории струн сумели решить и проблему бесконечностей, сводившую на нет все предыдущие попытки построения квантовой теории тяготения. Хотя струны и выглядят как точечные частицы, все же главное в них то, что они не являются точечными. Можно убедиться, что бесконечности в обычных квантовых теориях поля непосредственно связаны с тем, что поля описывают точечные частицы. (Например, закон обратных квадратов для силы взаимодействия точечных электронов приводит к бесконечной величине силы, если поместить оба электрона в одну точку.) С другой стороны, должным образом сформулированная теория струн, похоже, вообще свободна от бесконечностей[186].
Интерес к теориям струн реально возник в 1984 г., после того, как Джон Шварц вместе с Майклом Грином показали, что две конкретные теории струн прошли проверку на математическую непротиворечивость (что не удавалось доказать в ранее изучавшихся струнных теориях)[187]. Наиболее волнующим свойством теорий, рассмотренных Грином и Шварцем, было то, что они обладали определенной жесткостью, той самой, которую мы хотели бы видеть в окончательной теории. Хотя можно было представить себе огромное количество разных теорий открытых струн, оказалось, что только две из них имеют смысл с математической точки зрения. Энтузиазм в отношении теорий струн достиг уровня лихорадки, когда одна группа теоретиков[188] показала, что низкоэнергетический предел двух теорий Грина-Шварца необычайно напоминает нашу сегодняшнюю модель слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий, а другая группа (ее прозвали «Принстонский струнный квартет»[189]) обнаружила ряд струнных теорий, еще более соответствующих стандартной модели. Многим теоретикам показалось, что удалось ухватить окончательную теорию.
С тех пор энтузиазм несколько поостыл. Сейчас ясно, что существуют тысячи теорий струн, столь же математически состоятельных, как и первые две теории Грина-Шварца. Все эти теории удовлетворяют некоторой фундаментальной симметрии, известной как конформная симметрия. Такая симметрия возникает не из наблюдений природных явлений, как, скажем, эйнштейновский принцип относительности. Напротив, конформная симметрия представляется необходимой[190], чтобы гарантировать совместимость теорий струн с квантовой механикой. С этой точки зрения, тысячи разных теорий струн просто представляют разные способы удовлетворить требованиям конформной симметрии. Широко распространено мнение, что все эти разные теории струн на самом деле не разные, а лишь представляют различные способы решения уравнений одной и той же лежащей в основе всего теории. Но мы в этом не уверены, и никто не знает, какой могла бы быть такая теория.
Каждая из тысяч отдельных теорий струн обладает своей пространственно-временной симметрией. Некоторые из этих теорий удовлетворяют принципу относительности Эйнштейна, в других теориях мы не можем даже различить что-то, напоминающее обычное трехмерное пространство. Кроме того, каждая теория струн обладает своими внутренними симметриями того же общего типа, как и внутренние симметрии, лежащие в основе сегодняшней стандартной модели слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий. Но главное отличие теорий струн от всех более ранних теорий заключается в том, что пространственно-временные и внутренние симметрии не задаются в теории струн руками, а являются математическими следствиями конкретного способа, которым законы квантовой механики (а следовательно, требование конформной симметрии) удовлетворяются в каждой конкретной теории струн. Поэтому теории струн потенциально представляют собой важный шаг вперед в рациональном объяснении природы. Кроме того, они, по-видимому, являются наиболее глубокими, математически непротиворечивыми теориями, совместимыми с принципами квантовой механики, и в частности, единственными такими теориями, включающими что-то, похожее на тяготение.
Довольно много современных молодых физиков-теоретиков работают над развитием теории струн. Получено несколько вдохновляющих результатов. Например, оказалось, что в рамках теории струн естественно получается равенство констант взаимодействия сильных и электрослабых взаимодействий при очень больших энергиях, определяемых через натяжение струны, хотя и нет отдельной симметрии, объединяющей эти взаимодействия. Тем не менее, до сих пор не удается получить детальные количественные предсказания, позволяющие осуществить решающую проверку теории струн.
Этот тупик привел к печальному расколу физического сообщества. Теория струн предъявляет к исследователю большие требования. Очень мало теоретиков, работающих над другими проблемами, имеют достаточный запас знаний, чтобы понять технические детали в статьях по теории струн. В то же время, мало кто из специалистов по теории струн имеет время на изучение других разделов физики, особенно экспериментальной физики высоких энергий. Реакцией многих моих коллег на эту невеселую ситуацию явилась определенная враждебность по отношению к теории струн. Я не разделяю этих чувств. Теория струн представляется на сегодняшний день единственным кандидатом на окончательную теорию – как же, в таком случае, можно надеяться, что многие блестящие молодые теоретики откажутся от работы над этой теорией? Конечно, жалко, что теория пока что оказалась не слишком успешной, но, как и все остальные ученые, специалисты по струнам прилагают максимум усилий, чтобы преодолеть очень трудный период в истории физики. Мы просто обязаны надеяться на то, что либо теория струн приведет к более осязаемым результатам, либо новые эксперименты приведут к прогрессу в других направлениях.
Между тем, появились интригующие гипотезы о возможном нарушении закона сохранения лептонного числа. В стандартной модели этот закон сохранения ответственен за то, чтобы нейтрино были безмассовыми, но если этот закон нарушается, то можно ожидать, что у нейтрино есть маленькие массы порядка 10−5эВ (т.е. порядка одной миллионной массы электрона). Эта масса намного меньше той, которую могли обнаружить любые лабораторные эксперименты, проведенные до настоящего времени, но тем не менее, ее наличие может приводить к тонкому эффекту, позволяющему нейтрино электронного типа (т.е. принадлежащего к тому же семейству, что и электрон) медленно превращаться в нейтрино других типов. Это могло бы объяснить давнишнюю загадку нехватки тех нейтрино, которые приходят к нам от Солнца, по сравнению с теоретическими ожиданиями[177]. Нейтрино, образующиеся в ядре Солнца, принадлежат в основном к электронному типу, и детекторы, используемые на Земле для регистрации солнечных нейтрино, чувствительны только к нейтрино электронного типа, так что нехватка электронных нейтрино[178] может объясняться тем, что по пути от Солнца часть этих нейтрино превращается в нейтрино других типов. Эксперименты по проверке этой идеи проводятся с помощью разных детекторов в Южной Дакоте, Японии, Италии, Канаде и на Кавказе32).
Если нам повезет, то будут обнаружены свидетельства распада протона или наличия массы у нейтрино. Возможно, что на существующих ускорителях, например на протон-антипротонном коллайдере в Фермилабе или на электрон-позитронном коллайдере в ЦЕРНе, найдут свидетельства существования суперсимметрии. Но все это происходит ужасающе медленно. Заключительные доклады на всех конференциях по физике элементарных частиц за последние десять лет содержали один и тот же список пожеланий для экспериментаторов. Все это страшно далеко от действительно вселявших вдохновение прошлых лет, когда каждый месяц студенты-старшекурсники метались по коридорам физического факультета, рассказывая очередную новость о важном открытии. Только благодаря фундаментальной важности физики элементарных частиц, яркие студенты все еще приходят заниматься областью науки, в которой почти ничего не происходит.
Мы уверены, что это положение изменится, если будет завершено строительство ССК. Планировалось, что его энергия и интенсивность пучка будут достаточными, чтобы решить вопрос о механизме нарушения электрослабой симметрии, либо в результате открытия одной или более хиггсовских частиц, либо в результате обнаружения следов новых сильных взаимодействий. Если ответом на проблему иерархии является суперсимметрия, то и она может быть обнаружена на ССК. С другой стороны, если новые сильные взаимодействия будут найдены, это сразу повлечет за собой обнаружение на ССК большого количества новых частиц с массами порядка 1 000 ГэВ, которые нужно будет исследовать прежде, чем мы сможем высказать предположение, что же происходит при еще больших энергиях, когда объединяются все силы, включая гравитацию. В любом случае, физика частиц вновь двинется вперед. Битва физиков, занимающихся частицами, за строительство ССК была вызвана убеждением, что только данные, полученные на новом ускорителе, вселят в нас уверенность, что наша работа будет продолжаться.
Глава IX. Контуры окончательной теории
…Если
Вы можете глядеть в посев времен
И знаете судьбу зерна любого,
Скажите мне…
В. Шекспир. Макбет33). Акт I, сцена 3
Вполне возможно, что нас отделяют века от окончательной теории, и она окажется совершенно непохожей на то, что мы способны сегодня вообразить. Но допустим на мгновение, что эта теория совсем близко, за углом. Что мы можем в этом случае сказать о ней на основании уже известных нам знаний?
Один из разделов современной физики, который, по моему мнению, сохранится неизменным в окончательной теории – квантовая механика. Дело не только в том, что квантовая механика является основой всех наших представлений о материи и разных взаимодействиях и прошла невиданно жесткую экспериментальную проверку; более важно то, что никому не удалось придумать способ хоть как-нибудь изменить квантовую механику, который сохранил бы все ее достоинства, но не привел бы к логическим противоречиям.
Хотя квантовая механика является как бы сценой, на которой разыгрываются все явления природы, сама по себе эта сцена пуста. Квантовая механика позволяет вообразить бесчисленное множество возможных физических систем: систем, состоящих из частиц любого сорта и взаимодействующих самым разным образом, и даже систем, вообще не состоящих из частиц. История физики в ХХ в. отмечена все возрастающим пониманием того, что актеров в драме, разыгрывающейся на квантовой сцене, определяют принципы симметрии. Современная стандартная модель сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий основана на симметриях, а именно на пространственно-временных симметриях специальной теории относительности, которые требуют, чтобы стандартная модель была сформулирована на языке теории полей, и на внутренних симметриях, требующих существования электромагнитного и других полей, переносящих взаимодействия. Тяготение тоже можно понять с помощью принципов симметрии, заложенных в эйнштейновскую общую теорию относительности и утверждающих, что законы природы не должны меняться в результате любых возможных изменений нашего описания событий в пространстве и времени.
На основании векового опыта общепризнано, что окончательная теория должна покоится на принципах симметрии. Мы ожидаем, что эти симметрии объединят тяготение со слабыми, электромагнитными и сильными взаимодействиями стандартной модели. Но за прошедшие десятилетия мы так и не узнали, каковы эти симметрии, и не сумели построить удовлетворительной квантовой теории гравитации, включающей симметрии общей теории относительности.
Возможно, мы близки к переменам. За последнее десятилетие бурно развивался радикально новый подход к квантовой теории гравитации, а может быть, и ко всему остальному, – теория струн. Эта теория является первым приемлемым кандидатом на окончательную теорию.
Корни теории струн восходят к 1968 г., когда теоретики пытались понять, как устроены сильные взаимодействия, не обращаясь к квантовой теории полей, не пользовавшейся тогда популярностью. Молодой теоретик из ЦЕРНа Габриэле Венециано сумел просто угадать формулу, определявшую вероятности рассеяния двух частиц на разные углы при разных энергиях и обладавшую некоторыми общими свойствами, которые вытекали из принципов теории относительности и квантовой механики. Используя известные математические приемы, которые в свое время проходит каждый студент-физик, он сумел построить поразительно простую формулу, удовлетворявшую всем необходимым условиям. Формула Венециано привлекла всеобщее внимание. Вскоре другие теоретики обобщили ее и положили в основу систематической приближенной схемы. В те годы никто и не помышлял о возможном применении этих идей к квантовой теории тяготения. Вся работа мотивировалась надеждой лучше понять сильные ядерные взаимодействия. (До создания правильной теории сильных взаимодействий – квантовой теории поля, известной под названием квантовая хромодинамика, оставалось еще несколько лет.)
В процессе работы стало ясно[179], что формула Венециано и ее расширения и обобщения – не просто удачные догадки, а теория физических сущностей нового типа, получивших название релятивистских квантово-механических струн. Конечно, обычные струны состоят из частиц – протонов, нейтронов, электронов. Но новые струны совсем другие: предполагается, что протоны и нейтроны состоят из них. Дело обстояло не так, будто на кого-то сошло вдохновение и он догадался, что материя построена из струн, а затем начал строить соответствующую теорию; на самом деле теория струн была построена до того, как кто-то понял, что это такое.
Струны можно представить себе как крохотные одномерные разрезы на гладкой ткани пространства. Струны могут быть открытыми, с двумя свободными концами, или замкнутыми, как резиновая лента. Пролетая в пространстве, струны вибрируют. Каждая из струн может находиться в любом из бесконечного числа возможных состояний (мод) колебаний, похожих на обертоны, возникающие при колебаниях камертона или скрипичной струны. Со временем колебания скрипичной струны затухают, так как энергия этих колебаний переходит в энергию случайного движения атомов, из которых скрипичная струна состоит, т.е. в энергию теплового движения. Напротив, струны, о которых сейчас идет речь, поистине фундаментальные составные части материи, и могут продолжать колебаться бесконечно долго. Они не состоят из атомов или чего-то в этом роде, поэтому энергии их колебаний не во что переходить[180].
Предполагается, что струны очень малы, так что если разглядывать их с достаточно больших расстояний, они кажутся точечными частицами. Так как струна может находиться в любой из бесконечно большого числа возможных мод колебаний, она выглядит как частица, которая может принадлежать к одному из бесконечно большого числа возможных сортов, соответствующих определенной моде колебаний струны.
Первые варианты теории струн[181] были не свободны от трудностей. Вычисления показывали, что среди бесконечно большого числа мод колебаний замкнутой струны существует одна мода, в которой струна выглядит как частица с нулевой массой и спином, вдвое большим, чем у фотона[182]. Напомним, что развитие теории струн началось с попытки Венециано понять сильные ядерные взаимодействия, так что первоначально эта теория рассматривалась как адекватное описание сильного взаимодействия и участвующих в нем частиц. Неизвестна ни одна частица такой массы и с таким спином, принимающая участие в сильных взаимодействиях, более того, мы полагаем, что если бы такая частица существовала, она должна была бы быть давно обнаружена, так что налицо серьезное противоречие с экспериментом.
Но все дело в том, что частица с нулевой массой и спином, вдвое большим, чем у фотона, существует. Но это не частица, принимающая участие в сильных взаимодействиях, это гравитон, квант гравитационного излучения. Более того, с 60-х гг. было известно, что любая теория, в которой присутствует частица такого спина и такой массы, должна выглядеть более или менее похоже на общую теорию относительности[183]. Та безмассовая частица, которая была теоретически обнаружена в ранних версиях теории струн, отличалась от истинного гравитона только в одном важном пункте – обмен этой новой частицей должен был порождать силы, напоминавшие гравитационные, но только в 1029раз более сильные.
Как часто бывает в физике, теоретики, занимавшиеся струнами, нашли правильное решение неправильно поставленной задачи. В начале 80-х гг. теоретики все больше и больше стали приходить к убеждению, что новые безмассовые частицы, возникшие как математическое следствие уравнений струнных теорий, являются не сильновзаимодействующим аналогом гравитона, а самым настоящим гравитоном[184]. Чтобы при этом гравитационное взаимодействие имело правильную интенсивность, нужно было увеличить коэффициент натяжения струн в основных уравнениях теории до такой степени, чтобы разность энергий между наинизшим и следующим по величине энергетическими состояниями струны составляла не пустячную величину порядка нескольких сот миллионов эВ, характерную для ядерных явлений, а величину порядка планковской энергии 1019ГэВ, когда гравитационное взаимодействие становится столь же сильным как и другие взаимодействия. Эта энергия так велика, что все частицы стандартной модели – кварки, глюоны, фотоны – должны быть сопоставлены с наинизшими модами колебаний струны, в противном случае, требовалось бы так много энергии на то, чтобы их породить, что мы никогда не смогли бы эти частицы обнаружить.
С этой точки зрения квантовая теория поля типа стандартной модели представляет собой низкоэнергетическое приближение к фундаментальной теории, которая является совсем не теорией полей, а теорией струн. Сейчас мы полагаем, что квантовые теории полей работают столь успешно при энергиях, доступных современным ускорителям, совсем не потому, что окончательное описание природы возможно на языке квантовой теории поля, а потому, что любая теория, удовлетворяющая требованиям квантовой механики и специальной теории относительности, при достаточно малых энергиях выглядит как квантовая теория поля. Мы все больше и больше воспринимаем стандартную модель как эффективную квантовую теорию, причем прилагательное «эффективная» служит для напоминания, что все такие теории суть лишь низкоэнергетические приближения к совершенно другой теории, возможно, теории струн. Стандартная модель – сердцевина современной физики, но такое изменение отношения к квантовой теории поля может означать начало новой эры постмодерна.
Так как теории струн включают в себя гравитоны и еще кучу других частиц, впервые возникает основа для построения возможной окончательной теории. Действительно, поскольку представляется, что наличие гравитона – неизбежное свойство любой теории струн, можно сказать, что такая теория объясняет существование гравитации. Эдвард Виттен, ставший позднее ведущим специалистом по теории струн, узнал об этой стороне теории в 1982 г. из обзорной статьи теоретика Джона Шварца. Он вспоминает, что эта мысль стала «величайшим интеллектуальным потрясением в моей жизни»[185].
Похоже, что теории струн сумели решить и проблему бесконечностей, сводившую на нет все предыдущие попытки построения квантовой теории тяготения. Хотя струны и выглядят как точечные частицы, все же главное в них то, что они не являются точечными. Можно убедиться, что бесконечности в обычных квантовых теориях поля непосредственно связаны с тем, что поля описывают точечные частицы. (Например, закон обратных квадратов для силы взаимодействия точечных электронов приводит к бесконечной величине силы, если поместить оба электрона в одну точку.) С другой стороны, должным образом сформулированная теория струн, похоже, вообще свободна от бесконечностей[186].
Интерес к теориям струн реально возник в 1984 г., после того, как Джон Шварц вместе с Майклом Грином показали, что две конкретные теории струн прошли проверку на математическую непротиворечивость (что не удавалось доказать в ранее изучавшихся струнных теориях)[187]. Наиболее волнующим свойством теорий, рассмотренных Грином и Шварцем, было то, что они обладали определенной жесткостью, той самой, которую мы хотели бы видеть в окончательной теории. Хотя можно было представить себе огромное количество разных теорий открытых струн, оказалось, что только две из них имеют смысл с математической точки зрения. Энтузиазм в отношении теорий струн достиг уровня лихорадки, когда одна группа теоретиков[188] показала, что низкоэнергетический предел двух теорий Грина-Шварца необычайно напоминает нашу сегодняшнюю модель слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий, а другая группа (ее прозвали «Принстонский струнный квартет»[189]) обнаружила ряд струнных теорий, еще более соответствующих стандартной модели. Многим теоретикам показалось, что удалось ухватить окончательную теорию.
С тех пор энтузиазм несколько поостыл. Сейчас ясно, что существуют тысячи теорий струн, столь же математически состоятельных, как и первые две теории Грина-Шварца. Все эти теории удовлетворяют некоторой фундаментальной симметрии, известной как конформная симметрия. Такая симметрия возникает не из наблюдений природных явлений, как, скажем, эйнштейновский принцип относительности. Напротив, конформная симметрия представляется необходимой[190], чтобы гарантировать совместимость теорий струн с квантовой механикой. С этой точки зрения, тысячи разных теорий струн просто представляют разные способы удовлетворить требованиям конформной симметрии. Широко распространено мнение, что все эти разные теории струн на самом деле не разные, а лишь представляют различные способы решения уравнений одной и той же лежащей в основе всего теории. Но мы в этом не уверены, и никто не знает, какой могла бы быть такая теория.
Каждая из тысяч отдельных теорий струн обладает своей пространственно-временной симметрией. Некоторые из этих теорий удовлетворяют принципу относительности Эйнштейна, в других теориях мы не можем даже различить что-то, напоминающее обычное трехмерное пространство. Кроме того, каждая теория струн обладает своими внутренними симметриями того же общего типа, как и внутренние симметрии, лежащие в основе сегодняшней стандартной модели слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий. Но главное отличие теорий струн от всех более ранних теорий заключается в том, что пространственно-временные и внутренние симметрии не задаются в теории струн руками, а являются математическими следствиями конкретного способа, которым законы квантовой механики (а следовательно, требование конформной симметрии) удовлетворяются в каждой конкретной теории струн. Поэтому теории струн потенциально представляют собой важный шаг вперед в рациональном объяснении природы. Кроме того, они, по-видимому, являются наиболее глубокими, математически непротиворечивыми теориями, совместимыми с принципами квантовой механики, и в частности, единственными такими теориями, включающими что-то, похожее на тяготение.
Довольно много современных молодых физиков-теоретиков работают над развитием теории струн. Получено несколько вдохновляющих результатов. Например, оказалось, что в рамках теории струн естественно получается равенство констант взаимодействия сильных и электрослабых взаимодействий при очень больших энергиях, определяемых через натяжение струны, хотя и нет отдельной симметрии, объединяющей эти взаимодействия. Тем не менее, до сих пор не удается получить детальные количественные предсказания, позволяющие осуществить решающую проверку теории струн.
Этот тупик привел к печальному расколу физического сообщества. Теория струн предъявляет к исследователю большие требования. Очень мало теоретиков, работающих над другими проблемами, имеют достаточный запас знаний, чтобы понять технические детали в статьях по теории струн. В то же время, мало кто из специалистов по теории струн имеет время на изучение других разделов физики, особенно экспериментальной физики высоких энергий. Реакцией многих моих коллег на эту невеселую ситуацию явилась определенная враждебность по отношению к теории струн. Я не разделяю этих чувств. Теория струн представляется на сегодняшний день единственным кандидатом на окончательную теорию – как же, в таком случае, можно надеяться, что многие блестящие молодые теоретики откажутся от работы над этой теорией? Конечно, жалко, что теория пока что оказалась не слишком успешной, но, как и все остальные ученые, специалисты по струнам прилагают максимум усилий, чтобы преодолеть очень трудный период в истории физики. Мы просто обязаны надеяться на то, что либо теория струн приведет к более осязаемым результатам, либо новые эксперименты приведут к прогрессу в других направлениях.