Неприятности с физикой: взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует

Мы с прискорбием пришли к заключению, что теория струн не делает новых, точных и фальсифицируемых предсказаний. Но, однако, она делает некоторые изумительные утверждения о мире. Смогут ли эксперимент или наблюдение однажды обнаружить доказательство для любого из этих удивительных свойств? Даже если нет определённых предсказаний за и против — предсказаний такого сорта, которые могли бы убить или подтвердить теорию, — не можем ли мы увидеть доказательство свойства, которое является центральным для струнного взгляда на природу. Самым очевидным нововведением теории струн являются сами струны. Если бы мы могли исследовать струнный масштаб, не было бы проблем увидеть обильные свидетельства струнной теории, если она верна. Мы могли бы увидеть указания на то, что фундаментальные объекты одномерны, а не подобны точкам. Но мы не в состоянии провести эксперименты на ускорителях в пределах требуемых энергий. Есть ли иной путь, следуя которым, мы могли бы обнаружить сами струны? Могут ли струны быть как-то инициированы, чтобы стать больше, так что мы смогли бы их увидеть?

Один из таких сценариев был недавно предложен Эдмундом Копелэндом, Робертом Майерсом и Джозефом Полчински. При определённых очень специальных предположениях по поводу космологии может оказаться правильным, что некоторые очень длинные струны были созданы в ранней вселенной и продолжают существовать [66] . Расширение вселенной расширило их до таких размеров, что сейчас их длина составляет миллионы световых лет.

Это явление не ограничивается теорией струн. Некоторое время популярная теория о формировании галактик предполагала, что они начинаются от присутствия гигантских струн электромагнитного потока, оставшихся со времён Большого Взрыва. Эти космические струны, как их называют, никогда не работали с теорией струн, они были следствиями структуры калибровочных теорий. Они являются аналогами квантованных линий магнитного потока в сверхпроводниках, и они могут формироваться в ранней вселенной как следствие прохождения вселенной через фазовые переходы при её охлаждении. Сегодня мы имеем определённые свидетельства из космологических наблюдений, что такие струны не были главной составляющей в формировании структуры вселенной, но несколько космический струн после Большого Взрыва всё ещё могли бы остаться. Астрономы ищут их через поиск их влияния на свет от удалённых галактик. Если космическая струна проходит через линию зрения, соединяющую наш взгляд и удалённую галактику, гравитационное поле струны будет действовать как линза, удваивая изображение галактики особым образом. Другие объекты, такие как тёмная материя или другие галактики, могут иметь сходный эффект, но астрономы знают, как провести различия между генерируемыми ими образами и изображениями, которые производятся космической струной. Недавно было сообщение, что такая линза могла быть обнаружена. Её оптимистично назвали CSL-1 (Cosmic String Lens — линза на космической струне), но, когда на неё посмотрели через космический телескоп «Хаббл», оказалось, что это две близко расположенные друг к другу галактики [67] .

66

E.J. Copeland, R.C. Myers, and J. Polchinski, «Cosmic F- and D-Strings,» <Космические F- и D-струны>, Jour. High Energy Phys., Art. no. 013, June 2004.

67

M. Sazhin et al., «CSL-1: Chance Projection Effect or Serendipitous Discovery of a Gravitational Lens Induced by a Cosmic String?» < CSL-1: Эффект случайной проекции или связанное со счастливым случаем открытие гравитационной линзы, индуцированной космической струной?> Mon. Not. R. Astron. Soc., 343: 353-59 (2003).

Что нашли Копелэнд и его коллеги, так это то, что при определённых специальных условиях фундаментальные струны, растянутые расширением вселенной до огромных длин, могли бы иметь сходство с космическими струнами. Так что их можно было бы наблюдать через их действие, подобное линзам. Такие фундаментальные космические струны могли бы также быть очень большими излучателями гравитационных волн, которые могли бы наблюдаться на LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory — обсерватория гравитационных волн на лазерных интерферометрах).

Предсказания этого вида дают нам некоторую надежду, что теория струн однажды может быть проверена через наблюдения. Хотя открытие космических струн само по себе не может проверить теорию струн, поскольку несколько других теорий также предсказывают существование таких струн. Неудача в поиске таких струн не может привести к фальсификации теории струн, поскольку условия, при которые космические струны существуют, были выбраны специально, и нет причин думать, что они могут существовать в нашей вселенной.

Кроме существования струн есть три другие общие особенности струнного мира. Все осмысленные струнные теории согласуются с тем, что имеются дополнительные измерения, что все силы объединяются в одну силу и что существует суперсимметрия. Так что, даже если мы не имеем детальных предсказаний, мы можем увидеть, сможет ли эксперимент подтвердить эти гипотезы. Поскольку они независимы от теории струн, нахождение доказательств для любой из них не доказывает, что теория струн верна. Но противоположное здесь не имеет места: если мы узнаем, что нет суперсимметрии, или нет высших измерений или нет объединения всех сил, тогда теория струн является неверной.

Начнём с дополнительных измерений. Мы не в состоянии их увидеть, но мы определённо можем поискать их проявления. Одним из путей сделать это является поиск дополнительных сил, которые предсказываются всеми теориями с высшими измерениями. Эти силы передаются полями, которые заключают в себе геометрию дополнительных измерений. Такие поля должны быть здесь, поскольку вы не можете ограничить дополнительные измерения, чтобы они производили только те поля и силы, которые мы до сегодняшнего дня наблюдаем.

Силы, которые возникают из таких полей, ожидаются грубо столь же сильными, как и гравитация, но они могут отличаться от гравитации одним или многими свойствами: они могут иметь конечную область распространения, и они могут не взаимодействовать одинаково со всеми формами энергии. Некоторые текущие эксперименты экстраординарно чувствительны к таким гипотетическим силам. Около десяти лет назад один эксперимент показал предварительное свидетельство для такой силы, которую назвали пятой силой. Дальнейшие эксперименты не поддержали это утверждение, и на настоящий момент нет доказательств для таких сил.

Струнные теоретики обычно предполагали, что дополнительные измерения мизерны, но несколько предприимчивых физиков поняли в 1990-х, что это не являлось обязательным условием — что дополнительные измерения могли бы быть большими или даже бесконечными. Это возможно в сценарии миров на бране. В такой картине наше трёхмерное пространство на самом деле является браной — то есть чем-то, подобным мембране, но трёхмерной — подвешенной в мире с четырьмя или более измерениями пространства. Частицы и силы стандартной модели — электроны, кварки, протоны вместе с силами, которыми они взаимодействуют, — ограничены в пределах трёхмерной браны, составляющей наш мир. Так что, используя только эти силы, вы не сможете увидеть свидетельств дополнительных измерений. Единственное исключение составляет гравитационная сила. Гравитация, будучи универсальной, распространяется через все измерения пространства.

Этот вид сценария был впервые сконструирован в деталях тремя физиками, работающими в SLAC (Стэнфордском Линейном Ускорительном Центре), Нимой Аркани-Хамедом, Гиа Двали и Савасом Диопоулосом. На удивление, они нашли, что дополнительные измерения могли бы быть совсем большими без конфликта с известными экспериментами. Если имеется два дополнительных измерения, они могли бы быть порядка миллиметра в поперечнике [68] .

Главный эффект от добавления таких больших дополнительных измерений в том, что гравитационная сила в четырёх- или пятимерном мире, оказывается, может быть намного сильнее, чем это проявляется на трёхмерной бране, так что эффекты квантовой гравитации происходят на намного большем масштабе длин, чем всегда ожидалось. В квантовой теории больший масштаб длин означает меньшую энергию. Делая дополнительные измерения размером в миллиметр, можно понизить масштаб энергий, при котором должны быть видны эффекты квантовой гравитации — от планковской энергии, которая есть 10¹⁹ ГэВ, всего лишь к 1000 ГэВ. Это разрешает один из самых стойких вопросов по поводу параметров стандартной модели, а именно: почему планковская энергия на столько порядков величины больше, чем масса протона? Но что на самом деле возбуждает, так это то, что это делает квантово-гравитационные явления наблюдаемыми в диапазоне, который достижим на Большом Адронном Коллайдере (LHC), запускающемся в 2007 году ^{17} . Среди этих эффектов могло бы быть рождение квантовых чёрных дыр в соударениях элементарных частиц. Это было бы значительное открытие.

68

N. Arkani-Hamed, G. Dvali, and S. Dimopoulos, «The Hierarchy Problem and New Dimensions at a Millimeter,» <Проблема иерархии и новые размерности на миллиметровом масштабе>, Phys. Lett. B, 429: 263-72 (1998).

Другой вид сценария мира на бране был разработан Лайзой Рэндалл из Гарварда и Раманом Сундрумом из Университета Джонса Гопкинса.

Они нашли, что дополнительные измерения могли бы быть бесконечными по размерам, пока в высокоразмерном мире имелась отрицательная космологическая константа [69] . Поразительно, это также согласуется со всеми наблюдениями на сегодняшний день и даже делает предсказания для новых наблюдений.

Это весьма смелые идеи и забавно подумать о них, и я глубоко восхищаюсь их изобретателями. Как упоминалось, мне с трудом даются сценарии мира на бране. Они уязвимы для тех же проблем, которые приговорили оригинальные попытки объединения через высшие размерности. Сценарии мира на бране работают, только если вы делаете специальные предположения о геометрии дополнительных измерений и способе, которым трёхмерная поверхность, которая является нашим миром, помещается внутри них. В добавление ко всем проблемам, от которых страдали старые теории Калуцы-Кляйна, имеются новые проблемы. Если может быть одна брана, плавающая в высокоразмерном мире, почему их не может быть много? И если имеются другие, то как часто они сталкиваются? В самом деле, имеются предположения, по которым Большой Взрыв возник из-за столкновения миров на бранах. Но, если это может произойти один раз, почему с тех пор это больше не происходило? Прошло около 14 миллиардов лет. Ответ может быть в том, что браны встречаются редко, но в этом случае мы опять получаем тончайше настроенные условия.

69

L. Randall, and R. Sundrum, «An Alternative to Compactification,» <Альтернатива компактификации>, ; Phys. Rev. Lett., 83: 4690-93 (1999).

Помимо этих проблем, я настроен скептически, поскольку эти сценарии зависят от специального выбора фоновой геометрии, а это противоречит главному открытию Эйнштейна, как изложено в его ОТО, что геометрия пространства-времени является динамической и что физика должна быть выражена независимым от фона способом. Тем не менее, это наука, какая она и должна быть: смелые идеи, которые можно протестировать возможными экспериментами. Однако, поясним. Если любое из предсказаний миров на бране окажется верным, это не будет означать подтверждения теории струн. Теории миров на бране стоят особняком, они не нуждаются в струнной теории. Также нет полностью разработанного понимания модели мира на бране в рамках теории струн. Наоборот, если ни одно из предсказаний миров на бране не обнаружится, это не фальсифицирует теорию струн. Миры на бране являются просто одним из способов, которым могли бы проявиться дополнительные измерения теории струн.