Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

В 1968 Габриэле Венециано, молодой стипендиат-исследователь после защиты, работая в ЦЕРНе, был одним из многих физиков, пытавшихся понять сильное ядерное взаимодействие через изучение результатов высокоэнергетических столкновений частиц, производимых в атомных ускорителях по всему миру. После меяцев анализа образцов и упорядочения данных Венециано осознал удивительную и неожиданную связь с малоизвестной областью математики. Он обнаружил, что формула, открытая две сотни лет назад знаменитым швейцарским математиком Леонардом Эйлером (бета-функция Эйлера), кажется, точно соответствует данным по сильным ядерным взаимодействиям. Хотя это не звучало уж очень необычно, – физики-теоретики все время имеют дело с загадочными формулами, – это был замечательный случай, когда многие мили телега прокатилась впереди лошади. Более часто, чем нет, физики сначала проявляют интуицию, строят воображаемую картину, ясно понимая физические принципы, лежащие в основе всего, что они изучают, и только затем ищут уравнения, необходимые, чтобы обосновать свою интуицию в строгой математике. Венециано, напротив, перепрыгнул прямо к уравнению; его великолепие заключалось в распознавании необычных картин в данных и установлении неожиданной связи с формулой, разработанной столетиями ранее из чисто математического интереса.

Но хотя Венециано имел формулу в руках, он не имел объяснения, почему она работает. Ему не хватало физической картины, почему бета-функция Эйлера может быть существенна для частиц, влияющих друг на друга через сильное ядерное взаимодействие. Через два года ситуация полностью изменилась. В 1970 статьи Леонарда Сасскайнда из Стэнфорда, Холгера Нильсена из Института Нильса Бора и Йоихиро Намбу из Университета Чикаго обнаружили физические обоснования открытия Венециано. Эти физики показали, что если сильное взаимодействие между двумя частицами происходит вследствие мельчайшей, экстремально тонкой, почти подобной резиновой ленте нити, которая соединяет частицы, тогда квантовые процессы, которые сосредоточенно обдумывали Венециано и другие, будут математически описываться с использованием формулы Эйлера. Маленькие эластичные нити были окрещены струнами и с этого момента, правильно поставив лошадь перед телегой, теория струн официально родилась.

Но придержите шампанское. Для вовлеченных в эти исследования было удовольствием понять физические первоистоки прозрения Венециано, поскольку они наводили на мысль, что физики находились на пути к разоблачению сильного ядерного взаимодействия. До тех пор открытие не приветствовалось всеобщим энтузиазмом; далеко не так. Очень далеко. Фактически, статья Сасскайнда была возвращена журналом, в который он ее послал, с комментарием, что работа почти не представляет интереса, эту оценку Сасскайнд вспоминал так: "Я был ошеломлен, я был выбит из моего кресла, я был погружен в депрессию, так что пошел домой и напился". [9] В конечном счете его статья и все другие работы, которые объявляли струнную концепцию, были опубликованы, но это произошло незадолго до того, как теория претерпела две еще более опустошительные неудачи. Более внимательное изучение более уточненных данных по сильному ядерному взаимодействию, собранных в течение ранних 1970х, показало, что струнное приближение не годится для точного описания новых результатов. Более того, новое предложение, названное квантовой хромодинамикой, которое имело крепкие корни в традиционных составляющих вроде частиц и полей, – а совсем не струн, – оказалось в состоянии убедительно описать все данные. Итак, около 1974 теория струн получила один-два нокаутирующих удара. Или так это казалось.

9. Леонард Сасскайнд в "Элегантной вселенной", NOVA, трехчасовые серии Государственной службы радиовещания (PBS), впервые вышло в эфир 28 октября и 4 ноября 2003 (запись можно посмотреть здесь:).

Джон Шварц был одним из самых первых струнных энтузиастов. Однажды он сказал мне, что на старте он имел хорошие ощущения, что теория глубока и важна. Шварц потратил много лет, анализируя различные математические аспекты; среди других вещей это привело к открытию теории суперструн – как мы увидим, важному уточнению исходного струнного плана. Но с восхождением квантовой хромодинамики и крахом струнной схемы для описания сильного взаимодействия оправдания для продолжения работы по теории струн начали рассеиваться. Тем не менее, имелось одно особое рассогласование между теорией струн и сильным ядерным взаимодействием, которое не давало покоя Шварцу, и он счел, что он все равно должен двигаться вперед. Квантовомеханические уравнения теории струн предсказали, что особая, весьма необычная частица должна была в изобилии рождаться при высокоэнергетических столкновениях, имеющих место в атомных распадах. Частица должна была иметь нулевую массу, как фотон, но струнная теория предсказывала, что она должна была иметь спин 2, что, грубо говоря, означает, что она вращается в два раза быстрее фотона. Никто из экспериментаторов никогда не находил такую частицу, так что она оказалась среди ложных предсказаний, сделанных теорией струн.

Шварц и его соратник Джоэл Шерк были оздачены этой отсутствующей частицей, пока они не сделали величественный скачок к совершенно другой проблеме. Хотя никто не смог объединить ОТО и квантовую механику, физики определили некоторые свойства, которые должны возникать в любом таком успешном союзе. И, как отмечено в Главе 9, одно из свойств, которые они нашли, заключалось в том, что точно так же, как электромагнитные силы микроскопически переносятся фотонами, гравитационные силы должны микроскопически переноситься другим классом частиц, гравитонами (самым элементарным, квантовым пучком гравитации). Хотя гравитоны еще предстоит найти экспериментально, все согласны с теоретическим анализом, что гравитоны должны иметь два свойства: они должны быть безмассовыми и иметь спин 2. Для Шварца и Шерка это был громкий удар в колокол, – это были в точности те же свойства неконтролируемой частицы, предсказанной теорией струн, – и это заставило их предпринять смелый шаг, один из тех, которые привели отверженную теорию струн к яркому успеху.

Они предположили, что теория струн не должна мыслиться как квантовомеханическая теория сильных ядерных взаимодействий. Они доказывали, что даже если теория была открыта в попытке понять сильные взаимодействия, на самом деле она является решением другой проблемы. На самом деле она является первой квантовомеханической теорией гравитационного взаимодействия. Они заявили, что безмассовая частица со спином 2, предсказанная теорией струн, была гравитоном, и что уравнения теории струн с необходимостью включают квантовомеханическое описание гравитации.

Шварц и Шерк опубликовали свои предположения в 1974 и ожидали бурной реакции от физического сообщества. Вместо этого их труд был проигнорирован. Ретроспективно не трудно понять, почему. Некоторым казалось, что концепция струн стала теорией в поиске приложения.

После того, как попытки использовать теорию струн для объяснения сильных ядерных взаимодействий провалились, казалось, что ее сторонники не смогли признать поражения и, вместо этого, из кожи вон лезли, определяя поиски уместности теории где-то в другом месте. Топлива в этот огонь убеждений добавилось, когда стало ясно, что Шварцу и Шерку понадобилось радикально изменить размер струн в своей теории, чтобы силы, переносимые кандидатом в гравитоны, стали привычной, известной силой гравитации. Поскольку гравитация экстремально слабая сила* и поскольку оказалось, что чем длиннее струна, тем сильнее переносимое взаимодействие, Шварц и Шерк нашли, что струны должны быть экстремально малы, чтобы переносить настолько незначительную силу, как гравитация; они должны быть порядка планковской длины, в сотню миллиардов миллиардов миллиардов раз меньше, чем сначала представлялось. Настолько малы, как отмечали сомневающиеся, криво усмехаясь, что нет оборудования, которое могло бы увидеть их, что означает, что теория не может быть проверена экспериментально. [10]

10. На самом деле сложность проведения экспериментального тестирования для теории суперструн представляет собой ключевое препятствие, одно из тех, что существенно затрудняет подтверждение теории. Однако, как мы увидим в последних главах, в этом направлении был сделан немалый прогресс; струнные теоретики сильно надеются, что планируемые ускорители и эксперименты в открытом космосе обеспечат, по меньшей мере, подробные подтверждения в поддержку теории, а при удаче, может быть, даже больше.

(*) "Вспомним, как отмечалось в Главе 9, даже слабый магнит может пересилить притяжение всей земной гравитации и притянуть вверх скрепку для бумаги. Численно это значит, что гравитационная сила составляет примерно 10^–42 от величины электромагнитных сил."

Напротив, 1970е стали очевидцами одного успеха за другим у более обычных, не основанных на струнах теорий, формулируемых с точки зрения частиц или полей. Теоретики и экспериментаторы одинаково полностью направляли свои головы и руки в конкретные идеи этих теорий для исследования и предсказаний для проверки. Зачем обращаться к спекулятивной теории струн, когда имется так много возбуждающей работы внутри хорошо зарекомендовавшей себя на практике схемы? Во многом из-за такого настроения, хотя физики и знали на периферии своих мыслей, что проблема соединения гравитации и квантовой механики остается нерешенной с использованием обычных методов, это не была проблема, которая овладела вниманием. Почти каждый допускал, что это важная проблема и однажды к ней надо обратиться, но с богатством работы, все еще остающейся с негравитационными силами, проблема квантования гравитации отодвигалась для обжига лишь на заднюю конфорку. И, наконец, в середине поздних 1970х теория струн была далека от того, чтобы полностью работать. Обладание кандидатом на гравитон было успехом, но все еще требовало внимания большое число концептуальных и технических проблем. Казалось вполне правдоподобным, что теория не сможет преодолеть одну или больше из этих проблем, так что работа в теории струн означала заметный риск. В течение нескольких лет теория могла умереть.

Шварц остался непоколебимым. Он был уверен, что открытие в теории струн первого правдоподобного подхода к описанию гравитации на языке квантовой механики является крупным прорывом. Если никто не хотел слушать, прекрасно. Он будет нажимать на разработку теории, так что когда люди будут готовы уделить внимание, теория струн будет продвинута намного дальше. Его решение оказалось пророческим.

В конце 1970х – начале 1980х Шварц, объединвшись с Майклом Грином, тогда работавшим в Лондонском Колледже Королевы Марии, предпринял работу над некоторыми техническим препятствиями, сопровождавшими теорию струн. Первой среди них была проблема аномалий. Детали не существенны, но, грубо говоря, аномалия является фатальным квантовым эффектом, который влечет за собой гибель теории через намеки на то, что она нарушает некоторые священные принципы, вроде сохранения энергии. Чтобы быть жизнеспособной, теория должна быть свободной от всех аномалий. Первоначальные исследования обнаружили, что теория струн страдает от нашествия аномалий, что было одной из главных технических причин, по которым перестал проявляться энтузиазм. Аномалии сигнализировали, что хотя теория струн кажется обеспечивающей квантовую теорию гравитации, поскольку она содержит гравитоны, более пристальную проверку теория не выдерживает из-за своей собственной тонкой математической противоречивости.

Шварц обнаружил, однако, что ситуация не является совсем тупиковой. Имелся шанс – и он был немалый – что полный расчет покажет, что различные квантовые вклады в аномалии, беспокоящие торию струн, если их объединиь корректно, уничтожают друг друга. Вместе с Грином Шварц предпринял тяжелую работу по расчету этих аномалий и к лету 1984 был вознагражден двумя удачами в куче мусора. Одной дождливой ночью, во время поздней работы в Физическом Центре Аспена в Колорадо, они завершили одно из наиболее важных полевых вычислений – расчет, показывающий, что все потенциальные аномалии, способом, который кажется едва ли не сверхъестественным, были уничтожены друг другом. Они обнаружили, что теория струн свободна от аномалий и потому не допускает математических несовместимостей. Теория струн, как они убедительно продемонстрировали, оказалась квантовомеханически жизнеспособной.

На этот раз физики прислушались. Это была середина 1980х и климат в физике ощутимо изменился. Многие из существенных свойств трех негравитационных сил были проработаны таоретически и подтверждены экспериментально. Хотя важные детали оставались неразрешенными, – а некоторые все еще не разрешены, – сообщество было готово энергично взяться за следующую большую проблему: соединение ОТО и квантовой механики. Тогда из малоизвестного угла физики Грин и Шварц неожиданно вырвались на сцену с определенным, математически последовательным и эстетически привлекательным предложением о том, что надо делать. Едва ли не в течение ночи число исследователей, работавших в теории струн возросло с двух человек до тысяч. Первая струнная революция была на полном ходу.