Книга Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей пространства - Лиза Рэндалл

Шерк и Шварц повернули теорию струн с ног на голову, показав, что «плохая» частица спина 2, мешающая адронной теории струн, могла на самом стать венцом струнной теории гравитации; частица спина 2 могла на самом деле быть гравитоном. Они доказали, что частица со спином 2 ведет себя так, как должен себя вести гравитон. Решающее наблюдение, что теория струн содержит кандидата на роль гравитона, сделало теорию струн потенциальной квантовой теорией гравитации. При описании на языке частиц никто не мог понять, как сформулировать согласованную теорию гравитации, которая работала бы при всех энергиях. В то же время описание на языке теории струн выглядело так, что этот фокус казался возможным.

Было и другое указание на то, что хотя теория адронных струн не работала, Шерк и Шварц могли быть на правильном пути к гравитационной теории струн. Как мы видели в гл. 7, Фридман, Кендалл и Тейлор из Станфордского ускорительного центра (SLAC) показали, что электроны удивительным образом рассеиваются на нуклонах, неявным образом демонстрируя существование внутри нуклонов твердых точечноподобных объектов, а именно, кварков. По духу этот эксперимент был аналогичен описанному в гл. 6 эксперименту Резерфорда по рассеянию. Поразительные результаты опыта по рассеянию в том случае указывали на существование твердого атомного ядра, а в этом случае — на существование внутри нуклона точечноподобных кварков, а не ворсистых протяженных струн.

Итак, предсказания теории струн не согласовывались с результатами эксперимента в SLAC. Струны никогда не могли бы привести к сильному рассеянию, причиной которого мог быть только жесткий компактный объект. Так как в любой данный момент времени взаимодействуют только кусочки струн, струны в целом сталкиваются более мягко. Такое спокойное, сравнительно слабое рассеяние было похоронным звоном для теории адронных струн. Но с точки зрения квантовой гравитации это выглядело многообещающим свойством.

В рамках корпускулярной теории гравитона эта частица взаимодействует при высоких энергиях слишком сильно. Более подходящей была бы теория, в рамках которой энергичные гравитоны не взаимодействовали бы столь яростно. Именно это и имело место в струнной теории гравитации. Теория струн, заменяющая точечноподобные частицы на протяженные струны, гарантирует, что гравитон взаимодействует при высоких энергиях существенно менее сильно. У струн, в противоположность кваркам, нет жестких процессов рассеяния. Их взаимодействия более «кашеподобные» и происходят в более протяженной области. Такое свойство означает, что теория струн может потенциально решить проблему удивительно сильной вероятности взаимодействия гравитона и правильно предсказать взаимодействия гравитона при больших энергиях. Более мягкие соударения струн при больших энергиях могли быть важным указанием на то, что струнная теория гравитации может оказаться правильной.

Подводя итог, можно сказать, что теория суперструн содержит фермионы, переносящие взаимодействия калибровочные бозоны и гравитон — все типы частиц, которые нам известны. Эта теория не содержит тахиона. Кроме того, теория суперструн включает гравитон, квантовое описание которого потенциально осмыслено при высоких энергиях. Теория струн выглядела так, как будто она потенциально могла описать все известные взаимодействия. Это был многообещающий кандидат на роль теории мира.

Суперструнная революция

Теория суперструн была очень смелым шагом даже в решении такой глубокой проблемы, как квантовая гравитация. Струнная теория гравитации предсказывает бесконечно большое число частиц помимо тех, которые нам известны. Кроме того, теорию струн чрезвычайно трудно анализировать с помощью вычислений. Не слишком ли высока цена за решение проблемы квантовой гравитации — теория с бесконечным числом новых частиц и потенциально неподатливым математическим описанием? В 1970-е годы разработка теории струн требовала участия личностей, которые были либо очень решительными и непоколебимыми, либо немного сумасшедшими. Шерк и Шварц были среди тех немногих, кто продолжал идти по этому рискованному пути.

После безвременной кончины Шерка в 1980 году Шварц упорно продолжал работу над теорией струн. Он сотрудничал с другим (возможно, единственным) верящим в эту идею, британским физиком Майклом Грином, и вместе они анализировали следствия теории суперструн. Шварц и Грин обнаружили удивительное свойство суперструны: она имеет смысл только в десяти измерениях, из которых девять пространственных и одно временное. При всех других числах измерений возникают неприемлемые колебательные моды струны, приводящие к явно бессмысленным предсказаниям, таким как отрицательные вероятности процессов, включающих моды струны, которые не должны существовать. В десяти измерениях все нежелательные моды взаимно устраняются. При любом другом числе измерений теория струн теряет смысл.

Чтобы сказанное стало яснее, заметим, что струна сама по себе вытянута вдоль единственного пространственного измерения и путешествует во времени. Это те два измерения, которые изучал Рамон, когда он впервые открыл суперсимметрию. Но точно так же, как мы знаем, что точечноподобный объект, не имеющий протяжения ни в одном пространственном измерении и, следовательно, имеющий нулевое число пространственных измерений, может перемещаться в трех пространственных измерениях, струна, имеющая одно пространственное измерение, может перемещаться в пространстве с много большим числом измерений, чем сама обладает. Струны могут, вероятно, перемещаться в трех, четырех и более измерениях. Вычисления показали, что правильное число измерений (включая время) равно десяти.

Слишком большое число измерений не было новым свойством суперструны. Более ранняя версия теории струн (не содержавшая фермионов или суперсимметрии) имела двадцать шесть измерений — одно временное и двадцать пять пространственных. Но в ранней версии теории струн были другие проблемы, например тахион. С другой стороны, теория суперструн была достаточно обещающей, чтобы над ней поработать.

Несмотря на все это, теорией струн практически пренебрегали до 1984 года, когда Грин и Шварц продемонстрировали поразительное свойство суперструны, которое убедило многих других физиков, что они идут по правильной дороге. Благодаря этому открытию, а также двум другим достижениям, которые мы вскоре рассмотрим, теория струн заняла основное место в потоке исследований по физике.

Работа Грина и Шварца была посвящена явлению, известному как аномалии. Как следует из названия, когда аномалии были впервые открыты, они стали большим сюрпризом. Первые физики, работавшие над квантовой теорией поля, принимали как данное то, что любая симметрия классической теории будет также сохраняться ее квантово-механическим расширением, т. е. более полной версией теории, включающей также эффекты виртуальных частиц. Но оказалось, что это не всегда так. В 1969 году Стивен Адлер, Джон Белл и Роман Джекив показали, что даже когда классическая теория сохраняет симметрию, квантовомеханические процессы с участием виртуальных частиц иногда эту симметрию нарушают. Такие нарушения симметрии называются аномалиями, а теории, содержащие аномалии, называются аномальными.

Аномалии очень важны для теории взаимодействий. В гл. 9 мы видели, что успешная теория взаимодействий требует существования внутренней симметрии. Эта симметрия должна быть точной, в противном случае невозможно исключить нежелательные поляризации калибровочного бозона, и теория взаимодействий не будет иметь смысла. Поэтому симметрия, связанная с взаимодействием, должна быть свободна от аномалий: сумма всех нарушающих симметрию эффектов должна равняться нулю.