Теория струн, или Теория всего
Если вы думаете, что речь идет о музыке, то спрячьте гитару: теория струн — неразгаданная часть физики XXI, а то и XX века!
Ученые давно ищут «теорию всего», которая сможет объяснить странности, происходящие во Вселенной. Теория струн — одна из самых удачных таких попыток.
Понимаем, что вам хочется сразу получить формулировку и пойти дальше. Именно с этим запросом приходят большинство читателей, набравших в поисковике запрос: «теория струн попроще». Но, к сожалению, это довольно сложная концепция физиков-теоретиков и математиков, которую они и сами не понимают в полной мере. Одним предложением тут точно не отделаться. Разве что объяснить вам, что многообразные элементарные частицы, из которых состоит наш мир, на самом деле не точки или шарики, а тончайшие струны, колеблющиеся на разных частотах. Но это слишком упрощенно, поэтому будем рассказывать так, как полагается каналу «Наука». Приготовьте вашу голову!
История озарения
В 1960-е годы молодой итальянец Габриеле Венециано, работающий физиком-теоретиком в ЦЕРН в Женеве, искал способ объяснить сильное ядерное взаимодействие андронов (тогда об андронах знали гораздо меньше, ведь Большой адронный коллайдер еще не изобрели). В какой-то момент случилось озарение: ученый вдруг понял, что для объяснения наблюдаемых процессов подходит так называемая бета-функция — математическая формула, придуманная еще в 1730 году Леонардом Эйлером, швейцарским математиком, который полжизни прожил в России. Вскоре обнаружилось, что эта формула позволяет описать огромное количество данных, накопленных при изучении особенностей сильного взаимодействия. «Бинго!» — подумал Венециано и поделился открытием с миром ученых.
Это был лишь первый кусочек пазла, который еще предстояло сложить другим. Физики Йохиро Намбу, Холгер Нильсен и Леонард Сасскинд размышляли: почему старинная формула так легко подошла и какой физический смысл таится в этой сложной математике? К 1970 году им стало ясно, что сильное взаимодействие элементарных частиц превосходно описывается с помощью бета-функции Эйлера, если представлять их в виде крошечных колеблющихся одномерных струн. Эти невидимые человеческому глазу нити ученые воображали как замкнутые — в виде колец — и как открытые. Было решено, что длина струн настолько мала, что их с натяжкой можно рассматривать как точки, а значит, для фундаментальной физики ничего не изменилось.
Так возникло понятие «квантовая струна» — под ним подразумевается бесконечно тонкие одномерные объекты длиной в 10–35 м, колебания которых воспроизводят все многообразие элементарных частиц. Это была настоящая революция в мире физики, так как все ранее открытые «ингредиенты Вселенной» (электроны, протоны, нейтроны и пр.) теперь предлагалось свести к единой материи: к струнам, поведение которых легко описывается формулой E = mc2, где Е — энергия, m — масса, с — скорость света в вакууме.
Струны более массивных частиц совершают более интенсивные колебания, а струны более легких частиц колеблются менее интенсивно. В конечном итоге колебания на определенной частоте определяют свойства струн: массу и электрический заряд, что позволяет отнести их к определенной разновидности фундаментальных частиц, будь то кварк, фотон, глюон и др.
От пяти теорий к одной
Теория струн оказалась крепким орешком даже для самых высоколобых ученых. Как сказал один из ее основоположников, итальянский физик Даниэль Амати: «Это часть физики XXI века, которая случайно попала в XX век». «А для решения этой задачи нужна математика XXII века», — шутят ученые в наши дни.
В 1970-е и 1980-е теория струн была очень популярна. За нее брались разные ученые, и в результате родилось несколько разновидностей. Одни авторы придумали гипотетическую частицу — тахион, которая якобы двигается в вакууме быстрее скорости света. Другие изобрели суперсимметрию, предположив, что у всех известных элементарных частиц есть суперпартнеры, что фермионы и бозоны в природе связаны. Третьи попытались гипотетически подсчитать, сколько измерений может быть у Вселенной и как они могут быть свернуты. Дело в том, что теория струн сама по себе требует, чтобы Вселенная, кроме трех привычных пространственных измерений и одного временного, имела еще как минимум шесть. Поэтому во многих вариантах фигурировало десять измерений, а потом пришлось ввести еще одно, чтобы объединить все пять теорий струн в единую М-теорию, где заглавная М означает «мистическая, материнская, мембранная, матричная». Сделал это обобщение американский физик-теоретик Эдвард Виттен. Он, к слову, до сих пор жив и здоров, как и начавший собирать этот научный пазл Габриеле Венециано.
«Теория струн не похожа ни на что другое, когда-либо открытое. Это невероятное разнообразие идей о математике и физике, — восторженно пишет о своем детище Эдвард Виттен. — Теория струн обладает замечательным свойством: она предсказывает гравитацию».
Гравитация, о которой догадался еще Ньютонникак не укладывалась в стандартную модель физики. Разбирая мир до микрочастиц, ученым приходилось делать вид, будто нет никакой силы притяжения между звездами, галактиками, планетами и Солнцем. Теория струн стала вмиг популярна, потому что она выступила объединяющим мостиком между квантовой механикой и общей теорией относительности, которые имели противоречия и никак не могли ужиться друг с другом. Объяснить все и сразу — это была давняя мечта Эйнштейна и многих других ученых, осознававших, что существующие теории не решают всех загадок макро- и микромира. Некоторые даже думали, что все законы физики возможно объяснить одним уравнением — осталось лишь догадаться, что это за формула. Почти приблизились к этому Джоэль Шерк и Джон Шварц. Позже они с обидой говорили, что теория струн изначально потерпела неудачу потому, что физики недооценили ее масштаб.
Игры нашего разума
Какая польза от этих знаний, спросите вы? Ну, во-первых, она раздвигает границы воображения. Люди задумались над тем, что мир может быть устроен совсем не так, как кажется: возможно, Вселенная суперсимметрична и имеет 11 измерений. Не исключено, что есть частицы, которые еще не открыты и мы о них не догадываемся.
Теория струн — это лишь теоретическая физика, отталкивающаяся от математических расчетов и родившаяся из любопытства ученых, любящих задавать вопрос «А что, если?..» Проверить ее эмпирическим путем до сих пор не удается — для этого следовало бы построить огромный ускоритель размером с галактику. Несколько досадных нестыковок и противоречий мешают ее сторонникам спать по ночам и восклицать на публику: «Осанна! Мы наконец-то объяснили все!» Если бы концепция струн сработала, физики-теоретики имели бы полное право покинуть свои пыльные кабинеты и оставить профессию за ненадобностью.