Закрученные пассажи

IV Теория струн и браны Глава 14 Allegro (mа non troppo) Пассаж для струнных

Прокрутим пленку вперед на миллион лет.

Икар Рашмор XLII занимался испытаниями своей новой машины Алисэксвир (Alicxvr) модели 6.3, которую он недавно приобрел по Спейснету. (Интерес Икара III к скорости и всяким техническим новинкам, по-видимому, передался через многие поколения.) Алисэксвир был сконструирован так, чтобы дать возможность пользователю увидеть вещи любого размера, от самых маленьких до очень больших. Икар был совершенно уверен, что все его друзья, приобретшие Алисэксвир, сначала попробуют испытать действие установки для больших расстояний во много мегапарсеков, чтобы заглянуть во внешнее пространство за пределами известной Вселенной. Но Икар подумал: «Я знаю столь же мало о том, что происходит на чрезвычайно малых расстояния х» и решил вместо больших исследовать крошечные размеры.

Однако Икар принадлежал к числу нетерпеливых людей. Он не мог заставить себя прочитать подробную инструкцию, прилагавшуюся к приобретенному им устройству, и вместо этого решил сразу двинуться вперед. Беспечно, не обращая внимания на красный индикатор, перекрывающий самые малые размеры, он набрал на дисплее расстояние 10^-33 см и решительно нажал кнопку «вперед».

К своему ужасу, он обнаружил, что находится в дико колеблющейся обрывистой местности, заполненной струнами, и испытывает при этом сильнейшую тошноту. Пространство более не являлось гладким безликим фоном, к которому он привык. Напротив, оно быстро-быстро тряслось в одних местах, венчалось заостренными вершинками в других, или превращалось в петли, которые отсоединялись от поверхностей и затем воссоединялись с ними. Икар отчаянно стал искать кнопку «Стоп» и вовремя нажал на нее, чтобы вернуться к нормальному состоянию целым и невредимым.

Восстановив равновесие, Икар решил, что, вероятно, ему все же стоит прочитать руководство. Он раскрыл раздел «Предупреждение!» и прочел: «Ваша новая машина Алисэксвир, модель 6.3 работает только до расстояний, не меньших чем 10^-33 см. Мы еще не включили новейшие достижения теории струн, предсказания которых физики и математики связали с физическим миром только в прошлом году».

Икар был сильно разочарован, когда понял, что только новейшая модель 7.0 включает последние результаты. Но затем он быстро подучил самые последние результаты теории струн, запустил на полную мощность свой Алисэксвир, и никогда больше не испытывал тошноты.

Общая теория относительности Эйнштейна была монументальной. С ее помощью физики намного глубже поняли гравитационное поле и сумели с беспрецедентной точностью рассчитать влияние гравитации. Теория относительности дала физикам в руки инструменты для предсказания эволюции всех гравитационных систем, даже всей Вселенной. Однако, несмотря на все эти успешные предсказания, общая теория относительности не может быть последним словом в гравитации. Общая теория относительности рушится, когда ее пытаются применять на очень малых расстояниях. На очень малых масштабах длины нужна новая гравитационная парадигма. Многие физики полагают, что такой парадигмой должна быть теория струн.

Если теория струн верна, она объединяет успешные предсказания общей теории относительности, квантовой механики и физики частиц. Но она также позволяет применить физику к таким расстояниям и энергиям, с которыми не приспособлены иметь дело другие теории. Теория струн все еще недостаточно развита для того, чтобы мы могли оценить ее предсказания при высоких энергиях и подтвердить эффективность этой теории в труднодоступных областях расстояний и энергий. Но теория струн все же имеет ряд примечательных свойств, которые вызывают доверие к этой многообещающей картине.

Бросим взгляд на теорию струн и эволюцию этой удивительной теории, кульминацией которой была «суперструнная революция» 1984 года, когда физики показали, что отдельные куски теории струн замечательно стыкуются друг с другом. Суперструнная революция была только началом интенсивной исследовательской программы, в которой принимают активное участие многие современные физики. В этой и следующей главах мы рассмотрим историю теории струн и ряд удивительных современных достижений этой теории. Мы увидим, что теория струн достигла заметных успехов и имеет многообещающие перспективы. Но мы увидим также, что теория струн сталкивается со многими сложнейшими проблемами, которые предстоит решить физикам, прежде чем использовать эту теорию для того, чтобы делать предсказания о нашем мире.

Квантовая механика и общая теория относительности мирно сосуществуют в широком интервале расстояний, включая те, которые доступны экспериментальному анализу. Хотя обе теории должны быть применимы на всех масштабах длин, между ними существует взаимопонимание, какая из теорий должна доминировать на измеримых больших и малых расстояниях. Квантовая механика и общая теория относительности могут мирно разделить территорию, так как каждая теория признает главенство другой в обозначенной области. Общая теория относительности важна для массивных протяженных тел, таких как звезды или галактики. Но влияние гравитации на атом пренебрежимо мало, так что можно спокойно изучать атом, игнорируя общую теорию относительности. С другой стороны, квантовая механика критически важна на атомных расстояниях, так как ее предсказания для атома существенны и заметно отличаются от предсказаний классической физики.

Однако квантовая механика и теория относительности не находятся в полной гармонии. Эти две очень разные теории никогда не могли успешно преодолеть чрезвычайно малое расстояние, известное как планковский масштаб длины 10^-33 см. Из ньютоновского закона тяготения мы знаем, что интенсивность тяготения пропорциональна массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Даже несмотря на то, что на атомных масштабах сила тяготения мала, закон тяготения утверждает, что на еще меньших масштабах сила тяготения огромна. Гравитация важна не только для очень массивных протяженных тел, но и для тел, которые находятся чрезвычайно близко друг к другу, разделенные крохотным планковским расстоянием. Если мы пытаемся сделать предсказания об этом неизмеримо малом расстоянии, и квантовая механика, и общая теория относительности дадут существенный вклад, причем вклады двух теорий будут несовместимы. На этой спорной территории, где расчеты с помощью квантовой механики и общей теории относительности расходятся и предсказания терпят неудачу, нельзя пренебречь ни квантовой механикой, ни тяготением.

Общая теория относительности работает только тогда, когда имеются плавно меняющиеся гравитационные поля, закодированные в постепенно искривляющемся пространстве-времени. Но квантовая механика утверждает, что все, что может прощупывать или влиять на планковский масштаб длины, имеет колоссальную неопределенность импульса. Пробное тело с энергией, достаточной для исследования планковского масштаба длины, будет порождать разрушительные динамические процессы, например, энергетические выбросы виртуальных частиц, которые разрушат всякую надежду на описание явления с помощью общей теории относительности. Согласно квантовой механике, на планковском масштабе длины вместо гладкой и волнообразно меняющейся геометрии будут происходить дикие флуктуации с ветвящимися ручками и петлями пространства-времени, порождая тот тип топографии, с которым через миллион лет столкнулся Икар. В такой дикой местности нельзя использовать общую теорию относительности.

Но общая теория относительности не может просто отойти в сторону, предоставив квантовой механике полную свободу действий, так как на планковском масштабе длины тяготение представляет собой существенную силу. Хотя тяготение ничтожно при тех энергиях физики частиц, к которым мы привыкли, оно очень сильно при высоких энергиях, которые требуются для изучения планковского масштаба длины[130]. Планковский масштаб энергии, т. е. та энергия, которая нужна для изучения планковского масштаба длины, как раз является той энергией, при которой тяготение уже не может рассматриваться как ничтожная сила. На планковском масштабе длины тяготением пренебрегать нельзя.

В действительности, на планковском масштабе энергии тяготение возводит барьеры, делающие обычные квантово-механические вычисления невозможными. Любое тело, обладающее достаточной энергией, чтобы исследовать расстояние в 10^-33 см, будет захвачено черной дырой, которая берет в плен все, что только в нее попадает. Только квантовая теория гравитации может объяснить нам, что на самом деле происходит внутри.

На крохотных расстояниях квантовая механика и гравитация вопиют о более фундаментальной теории. Учитывая конфликт между ними, не остается иного выбора, кроме как пригласить внешнего арбитра в качестве альтернативы обоим теориям. Новый режим должен разрешать квантовой механике и общей теории относительности свободно править в своих бесспорных областях, но обладать равными правами управлять спорной областью, которую ни одна из старых теорий не контролирует. Возможным решением может быть теория струн.

Несовместимость квантовой механики и гравитации проявляется в бессмысленных предсказаниях, которые дает общепринятая теория тяготения для взаимодействий при высокой энергии частицы по имени гравитон, т. е. частицы, переносящей гравитационную силу в квантовой теории гравитации.

Согласно классической теории гравитации тяготение между массивными телами переносится гравитационным полем, во многом аналогично тому, как в классической электромагнитной теории Максвелла электромагнитное взаимодействие переносится от одной заряженной частицы к другой электромагнитным полем. Но квантовая электродинамика (КЭД), квантовая теория электромагнетизма, реинтерпретирует это классическое электромагнитное взаимодействие на языке обмена частицей — фотоном[131]. КЭД, теория фотонов, есть расширение классической теории электромагнетизма, включающее квантово-механические эффекты.

Квантовая механика требует, что по аналогии должна существовать частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Эта частица и есть гравитон. В квантовой теории гравитации обмен гравитоном между двумя телами воспроизводит ньютоновский закон всемирного тяготения. Хотя гравитоны до сих пор непосредственно не наблюдались, физики уверены, что они существуют, так как квантовая механика говорит нам, что они есть.

Ниже для нас будет важен особый спин гравитона. Так как гравитоны переносят гравитацию — взаимодействие, тесно связанное с пространством и временем, то их спин отличается от спинов всех других известных переносчиков взаимодействий типа фотона. Мы не будем углубляться в причины этого, но гравитон — единственная безмассовая частица, спин которой равен 2, а не 1, как у других калибровочных бозонов, или ¹/₂, как у кварков и лептонов. Тот факт, что спин гравитона равен 2, окажется важным, когда мы перейдем к поиску убедительных свидетельств теорий с дополнительными измерениями. Кроме того, как мы вскоре убедимся, спин гравитона есть также ключ к пониманию потенциальных приложений теории струн.

Однако описание тяготения на языке квантовой теории поля не может быть полным. Ни одна квантовая теория поля для гравитона не может предсказать его взаимодействия при всех энергиях. Когда гравитон имеет энергию порядка планковского масштаба энергий, квантовая теория поля перестает работать. Теоретические соображения показывают, что дополнительные взаимодействия гравитона, не имеющие значения при низких энергиях, становятся важными при высоких энергиях, но логики квантовой теории поля оказывается недостаточно, чтобы сказать, что это за взаимодействия или как их включить в теорию. Если мы будем неправомерно использовать квантово-полевую теорию гравитации, игнорируя взаимодействия, не имеющие значения при низких энергиях, и попытаемся сделать предсказания для процессов с участием чрезвычайно энергичных гравитонов, мы придем к выводу, что взаимодействия гравитонов происходят с вероятностью больше единицы, что, очевидно, совершенно невозможно. На планковском масштабе энергий или эквивалентно (согласно квантовой механике и специальной теории относительности) на планковском масштабе длины 10^-33 см, квантово-механическое описание гравитона, безусловно, разрушается.

Планковский масштаб длины, на девятнадцать порядков меньший размера протона, так мал, что вряд ли бы он заботил физиков, не будь с ним связана фундаментальная проблема, которая должна исследоваться в более полной теории. Например, современные космологические теории предполагают, что Вселенная началась как крохотный шар размером с планковский масштаб длины. Но мы совершенно не понимаем слова «взрыв» в Большом взрыве. Мы понимаем многое из последующей эволюции Вселенной, но не то, как она началась. Установление физических законов, применимых к размерам меньше планковского масштаба длины, должно пролить свет на сверхранние стадии эволюции нашей Вселенной.

Кроме того, существует много загадок, касающихся черных дыр. Важный нерешенный вопрос состоит в том, что точно происходит на горизонте черной дыры, т. е. месте невозврата, за которым ничто не может спастись от падения к центру, и в сингулярности — том месте в центре черной дыры, где уже не применима общая теория относительности. Другой не имеющий ответа вопрос — как сохраняется информация о телах, падающих в черную дыру. В отличие от испытываемого нами гравитационного взаимодействия, гравитационные эффекты внутри черной дыры сильны, так же как сильны эффекты взаимодействия тел с энергией порядка планковского масштаба энергий в обычном плоском пространстве. Мы никогда не решим эти загадки черных дыр, пока не разрешим проблему нахождения единственной теории, согласованно включающей квантовую механику и общую теорию относительности, — квантовой гравитации на планковском масштабе длины 10^-33 см. Черные дыры дают примеры вопросов о сильных гравитационных явлениях, которые могут быть разрешены только с помощью квантовой теории гравитации. Наилучшим известным кандидатом на роль такой теории является теория струн.

Взгляд теории струн на фундаментальную природу материи существенно отличается от взгляда традиционной физики частиц. Согласно теории струн, самыми фундаментальными неделимыми объектами, лежащими в основе всей материи, являются струны — колеблющиеся одномерные петли или кусочки энергии. В противоположность, например, скрипичным струнам, эти струны не состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из электронов и нуклонов, а те, в свою очередь, состоят из кварков. На самом деле верна в точности обратная картина. Струны фундаментальны, и это означает, что все, включая электроны и кварки, состоит из их колебаний. Согласно теории струн, моток пряжи, с которым играет кот, сделан из атомов, которые в конечном итоге составлены из колебаний струн.

Радикальная гипотеза теории струн состоит в том, что частицы возникают из резонансных мод колебаний струн. Каждая частица любого типа соответствует колебаниям лежащей в основе струны, а характер этих колебаний определяет свойства частицы. Так как существует много способов колебаний струн, отдельная струна может породить много типов частиц. Первоначально теоретики думали, что существует только единственный тип фундаментальной струны, ответственный за все известные частицы. Но в последние несколько лет эта картина поменялась, и теперь мы полагаем, что теория струн может содержать различные независимые типы струн, каждая из которых может колебаться множеством возможных способов.

Струны вытянуты в одном измерении. В каждый момент времени вам нужно лишь одно число, чтобы идентифицировать точку вдоль струны, так что, в соответствии с нашим определением размерности, струны являются пространственно одномерными объектами. Тем не менее, как реальные физические куски струны, они могут завиваться и образовывать петли. В действительности, существуют два типа струн: открытые струны, имеющие две концевых точки, и замкнутые струны, представляющие петли без концов (рис. 67).

То, какую частицу реально порождает струна, зависит от энергии струны и от точных колебательных мод, которые возбуждены. Моды струны похожи на резонансные моды скрипичной струны. Вы можете рассматривать колебания как элементарные единицы, которые можно комбинировать, образуя все известные частицы. На этом языке частицы — это аккорды, а их взаимодействия — это гармонии. Струна в теории струн не всегда порождает все частицы, так же как скрипичная струна не издает никакого звука, пока по ней не проведут смычком. Но так же как смычок возбуждает моды скрипки, энергия возбуждает моды струны. И если струна обладает достаточной энергией, она произведет разные типы частиц.

Как для открытой, так и для замкнутой струн резонансные моды — это те, колебания которых укладываются целое число раз вдоль длины струны. Несколько таких мод показано на рис. 68. Для этих мод волны колеблются вверх и вниз некоторое число раз и при этом все колебания полностью завершаются на длине струны. Для открытой струны волны ударяются о конец струны и поворачивают в противоположную сторону, продолжая бегать вперед и назад, а волны на замкнутых струнах колеблются вверх и вниз при распространении вдоль замкнутой петли. Любые другие волны, для которых на длине струны не умещается целое число колебаний, не возникают.

В конце концов, точный способ, которым колеблется струна, определяет все свойства частицы, такие как ее масса, спин и заряд. В общем случае будет существовать много копий частиц с тем же спином и зарядом, но с разными массами. Так как число таких мод бесконечно, отдельная струна может породить бесконечное число тяжелых частиц. Известные частицы, которые сравнительно легки, возникают от струн, совершающих самые слабые колебания. Модой без колебаний может быть знакомая легкая частица, например обычный кварк или лептон. Но струна большой энергии может колебаться многими способами, поэтому теория струн различается по самым тяжелым частицам, которые возникают от наивысших колебательных мод.

Однако большее количество колебаний требует больше энергии. Дополнительные частицы в теории струн, возникающие от большего числа колебаний, похоже, должны быть чрезвычайно тяжелыми — чтобы их породить, необходимо колоссальное количество энергии. Таким образом, даже если теория струн верна, ее новые следствия, похоже, будет очень трудно детектировать. Так как мы не ожидаем рождения любой из новых тяжелых частиц при доступных энергиях, мы полагаем, что теория струн и физика частиц приведут к одним и тем же наблюдаемым следствиям при тех энергиях, которые нам доступны. Такая картина может измениться, если окажутся верными некоторые из недавних достижений, касающиеся дополнительных измерений. Однако сейчас познакомимся с общепринятой картиной теории струн. Позднее мы займемся моделями с дополнительными измерениями.

Ко времени Икара ХLII теория струн могла бы похвастаться довольно долгой историей. Но по научным соображениям мы ограничим нашу историю двадцатым и самым началом двадцать первого века. Мы сейчас рассматриваем теорию струн как теорию, которая могла бы объединить квантовую механику и гравитацию. Однако первоначально она имела совершенно иное приложение. Впервые теория возникла в 1968 году как попытка описать сильно взаимодействующие частицы, известные как адроны. Теория не была успешной; как мы видели в гл. 7, мы знаем теперь, что адроны состоят из кварков, удерживаемых вместе сильным взаимодействием. Тем не менее теория струн выжила, уже не как теория адронов, а как теория гравитации.

Несмотря на провал теории струн в описании адронов, мы можем кое-что узнать о хороших свойствах струнной теории гравитации, изучив несколько проблем, с которым столкнулась теория адронных струн. Примечательно, что провалы теории адронных струн оказались сильными сторонами (или, по крайней мере, не стали помехами) для струнной теории квантовой гравитации.

Первая проблема изначальной версии теории струн была в том, что теория содержала тахион. Поначалу ученые думали о тахионах как о частицах, движущихся со скоростью больше скорости света (термин произошел от греческого слова ταχύς, т. е. скорость). Но теперь мы знаем, что тахионы указывают на нестабильность в теории, которая их содержит. К сожалению для любителей научной фантастики, тахионы не являются реальными физическими частицами, существующими в природе. Если окажется, что ваша теория содержит тахион, вы неправильно ее проанализировали. Система, содержащая тахион, может (и должна) превратиться в родственную систему с меньшей энергией, в которой тахион отсутствует. Система, содержащая тахион, существует недостаточное время для того, чтобы возникли какие-то физические явления; это есть всего лишь свойство неправильного теоретического описания. Вам следует найти теоретическое описание родственной стабильной конфигурации без тахиона, прежде чем вы сможете идентифицировать истинные физические частицы и взаимодействия. До тех пор пока система содержит такую конфигурацию, ваша теория неполна.

Теория струн с тахионом казалась не имеющей смысла. Но никто не знал, как сформулировать теорию, чтобы исключить его. Это означало, что предсказания теории струн, в том числе для частиц, отличных от тахиона, были недостоверны. Вы можете подумать, что это дает достаточные основания отвергнуть адронную теорию струн. Но физики продолжали надеяться, что тахион не был реальным; некоторые думали, что это была проблема математических приближений, которые делались при формулировке теории, но это было маловероятно.

Однако Рамон, Невье и Шварц открыли альтернативную суперсимметричную версию струны — суперструну. Критически важное преимущество теории суперструн перед первоначальной версией теории струн состояло в том, что она содержала частицы спина ¹/₂, что дает потенциальную возможность описания фермионов Стандартной модели, таких как электрон и разные типы кварков. Но дополнительным бонусом теории суперструн было то, что она не содержала тахионы, которые так отравляли первоначальную версию теории струн. Теория суперструн, выглядевшая в любом случае более обещающей, не содержала тахионной нестабильности, которая могла бы помешать прогрессу теории.

Вторая проблема исходной теории адронных струн заключалась в том, что она содержала безмассовую частицу спина 2. Расчеты показали, что исключить эту частицу невозможно, но ни один экспериментатор никогда не наблюдал такую вредную частицу. Поскольку экспериментаторы должны были наблюдать любую безмассовую частицу, взаимодействующую так же сильно, как адрон, казалось, что адронная теория струн столкнулась с неприятностями.

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.

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.

Это мощное ограничение на любую квантовую теорию взаимодействий. Например, мы знаем сейчас, что это есть одно из самых убедительных объяснений существования в Стандартной модели и кварков, и лептонов. По отдельности виртуальные кварки и лептоны приводят к аномальным квантовым вкладам, которые нарушают симметрии Стандартной модели. Однако сумма квантовых вкладов от кварков и от лептонов равна нулю. Это чудодейственное сокращение и есть то, что скрепляет конструкцию Стандартной модели, — и кварки, и лептоны необходимы для того, чтобы взаимодействия в Стандартной модели обрели смысл.

Аномалии могли стать проблемой для теории струн, которая, помимо прочего, включает и взаимодействия. В 1983 году, когда теоретики Луис Альварес-Гауме и Эдвард Виттен показали, что такие аномалии возникают не только в квантовой теории поля, но и в теории струн, казалось, что это открытие отправит теорию струн в архив интересных в далекой перспективе, но пока неактуальных идей. Казалось, что теория струн не может сохранять требуемые симметрии. В атмосфере скептицизма, порожденного возможным существованием аномалий в теории струн, Грин и Шварц совершили сенсационное открытие, показав, что теория струн может удовлетворить ограничениям, которые нужны для того, чтобы избежать аномалий. Они вычислили квантовый вклад во все возможные аномалии и показали, что для определенных взаимодействий аномалии чудесным образом дают в сумме нуль.

Одна из причин, по которой результат Грина и Шварца был таким удивительным, состояла в том, что теория струн допускает много неприятных квантовомеханических процессов, каждый из которых мог бы породить нарушающие симметрию аномалии. Но Грин и Шварц показали, что сумма квантово-механических вкладов во все возможные нарушающие симметрию аномалии в десятимерной теории суперструн равна нулю. Это означало, что многие сокращения, требуемые в вычислениях теории струн, действительно происходят, более того, эти сокращения происходят в десяти измерениях, т. е. в том самом числе измерений, которое, как уже известно, является особым для теории суперструн. Сокращение аномалий было мощным аргументом в пользу десятимерной суперструны.

Кроме того, работа Грина и Шварца пришлась на очень удачное время. Физики безуспешно искали теории, которые могли бы расширить Стандартную модель, включив туда суперсимметрию и гравитацию, так что они были готовы рассмотреть что-то новое. Они не могли просто проигнорировать открытие Грином и Шварцем суперсимметричной теории, которая потенциально могла воспроизвести все частицы и взаимодействия Стандартной модели. И хотя дополнительная структура теории струн добавляла проблем, суперструна преуспела там, где другие более экономные теории потерпели крах.

Следующие два важных открытия закрепили за теорией струн место в анналах физики. Одно было сделано Принстонской группой — Дэвидом Гроссом, Джеффом Харви, Эмилем Мартинесом и Райаном Ромом, которые в 1985 году построили теорию, названую гетеротической струной. Это название происходит от греческого слова ϵτέρωσς, что в ботанике означает «сила гибрида», термин, используемый по отношению к гибридным организмам, обладающим свойствами, превосходящими свойства их предков. В теории струн колебательная мода может двигаться вдоль струны либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Название «гетеротический» использовалось потому, что волны, движущиеся налево, рассматривались не так, как волны, двигавшиеся направо, и, следовательно, теория включала более интересные взаимодействия, чем уже известные нам версии теории струн.

Открытие гетеротической струны было дальнейшим подтверждением того, что взаимодействия, которые, как обнаружили Грин и Шварц, были свободными от аномалий и допустимыми в десяти измерениях, были несомненно особыми. Они нашли несколько наборов взаимодействий, включая все те, которые, как уже было показано, возможны в теории струн, а также другие наборы взаимодействий, которые никогда ранее не считались (теоретически) частью теории струн. Взаимодействия гетеротической струны были теми самыми новыми взаимодействиями, для которых Грин и Шварц показали, что они свободны от аномалий. Было показано, что вместе с гетеротической струной это дополнительное множество взаимодействий, которое может включать взаимодействия Стандартной модели, является не только правильной возможностью теории струн, но и может быть явно реализовано. Физики рассматривали гетеротическую струну как реальный прорыв в попытке связать теорию струн со Стандартной моделью.

Наконец, было еще одно достижение, которое укрепило выдающееся положение теории струн. Это открытие имело дело с важными для теории струн дополнительными измерениями. Конечно, очень хорошо показать, что теория суперструн внутренне согласована и включает взаимодействия Стандартной модели, но все это мало интересно, если вы сталкиваетесь с неправильным числом измерений пространства. Теория суперструн накладывает обязательное условие в десять измерений. А в мире вокруг нас мы видим только четыре измерения (включая время). Что-то нужно делать с лишними шестью.

Сейчас физики считают, что одним из ответов может быть компактификация — скрученные измерения неощутимо малого размера, как описано в гл. 2. Однако вначале это сворачивание дополнительных измерений не представлялось правильной идеей для рассмотрения дополнительных измерений в теории струн. Проблема состояла в том, что теория со свернутыми измерениями не могла воспроизвести важное (и удивительное) свойство слабого взаимодействия, о котором шла речь в гл. 7: слабое взаимодействие рассматривает по-разному левые и правые частицы. Это не простая техническая деталь. Вся структура Стандартной модели основана на левых частицах, которые только и способны испытывать слабые взаимодействия. В противном случае будет выполняться лишь малая часть предсказаний Стандартной модели.

Хотя десятимерная теория струн может рассматривать по-разному левые и правые частицы, это перестает быть правильным, как только шесть дополнительных измерений сворачиваются. Результирующая эффективная четырехмерная теория всегда содержит закономерно смешанные пары левых и правых частиц. Все взаимодействия, которые действуют на левые формионы, действуют также на правые фермионы, и наоборот. Если теория струн не может найти выхода из этого тупика, ее следует пустить в отходы.

В 1985 году Филип Канделас, Гэри Горовиц, Энди Стромингер и Эдвард Виттен обратили внимание на более тонкий и сложный способ сворачивания дополнительных измерений, а именно, на компактификацию на многообразие Калаби — Яу. Детали сложны, но по существу многообразия Калаби — Яу сохраняют четырехмерную теорию, способную отличить левое от правого, и способны в принципе воспроизвести все частицы и взаимодействия Стандартной модели, включая нарушающее четность слабое взаимодействие. Кроме того, сворачивание дополнительных измерений в многообразие Калаби — Яу сохраняет суперсимметрию[132]. После прорыва, связанного с многообразиями Калаби — Яу, теория суперструн стала рабочей теорией.

На многих кафедрах физики теория суперструн вытеснила физику частиц, и суперсимметричная революция все больше напоминала переворот. Так как теория суперструн включает квантовую гравитацию и может содержать известные частицы и взаимодействия, многие физики зашли настолько далеко, что стали думать об этой теории как об окончательной теории, лежащей в основе всего. Действительно, в 1980-е годы теорию струн окрестили «Теорией Всего Сущего» (или ТВС). Теория струн была более амбициозна, чем даже ТВО: с помощью теории струн физики надеялись объединить все взаимодействия (включая гравитацию) при энергиях выше даже той энергии, которая ассоциируется с ТВО. Не имея ни одного экспериментального доказательства в пользу теории струн, многие физики решили, что способность теории струн к соединению квантовой механики и гравитации является достаточным основанием поддержать ее претензии на выдающееся положение.

Если теоретики — струнники правы и мир в конечном счете состоит из фундаментальных колеблющихся струн, то нужно ли прекратить занятия всей физикой частиц? Ответом является громкое «Нет». Целью теории струн является согласование квантовой механики и теории гравитации на расстояниях, меньших планковского масштаба длины, где, как мы полагаем, вступает в действие новая теория. Поэтому в рамках общепринятой теории струн (в противоположность вариантам, предлагаемым моделями с дополнительными измерениями) размер струны должен быть порядка планковского масштаба длины. Из этого следует, что в общепринятой теории струн различия между физикой частиц и теорией струн могут проявиться только на этих крохотных планковских масштабах длины или, эквивалентно, на ультравысоких планковских масштабах энергии, где считается, что гравитация становится сильной. Соответствующий размер настолько мал, а энергия настолько велика, что струны никак не смогут избежать описания на языке частиц при экспериментально доступных энергиях.

Для энергий ниже планковского масштаба энергий описание на языке физики частиц на самом деле вполне адекватно. Если струна настолько мала, что ее длина является недетектируемой, то она может с тем же успехом считаться частицей; ни один эксперимент не обнаружит разницы. Частицы и струны планковской длины неразличимы. Одномерная протяженность струны столь же невидима нами, как и крохотные свернутые дополнительные измерения, которые мы рассматривали выше. Пока у нас нет приборов, которые могли бы манипулировать с размерами порядка 10~³³ см, такая струна слишком мала, чтобы мы ее увидели.

То, что теория струн и физика частиц выглядят одинаково при доступных энергиях, имеет глубокий смысл. Соотношение неопределенностей утверждает, что единственный способ изучения малых расстояний — использование частиц с большими импульсами, которые обладают очень большой энергией. Поэтому, если вы не обладаете достаточной энергией, у вас нет способа увидеть, что струна на самом деле длинная и тонкая, а не точечная.

В принципе можно искать свидетельства в поддержку теории струн, занимаясь поиском множества предсказываемых этой теорией частиц, соответствующих многим возможным осцилляциям струны. Трудность такой стратегии состоит в том, что большинство новых порожденных струной частиц должно быть очень тяжелыми, с массами порядка планковского масштаба масс 10¹⁹ ГэВ. Эта масса чудовищно велика по сравнению с массами экспериментально наблюдаемых частиц, самая тяжелая из которых имеет массу около 200 ГэВ.

Дополнительные частицы, которые должны возникать из колебаний струны, должны быть настолько тяжелыми по той причине, что натяжение струны, т. е. ее сопротивляемость растяжению, определяющая, насколько легко струна будет колебаться и порождать новые частицы, должно быть велико. Натяжение струны определяется планковским масштабом энергий. В теории струн это натяжение требуется для того, чтобы воспроизвести правильную интенсивность взаимодействия гравитона, а следовательно и самой гравитации. Чем больше натяжение струны, тем больше требуется энергии на то, чтобы порождать колебания (аналогично тому, как туго натянутую струну труднее дергать по сравнению со слабо натянутой). И эта большая энергия переводится в большую массу дополнительных частиц, порожденных струной. Такие частицы планковской массы слишком массивны, чтобы рождаться в каком-либо проводимом сегодня (и, вероятно, в будущем) эксперименте.

Итак, даже если теория струн правильна, нам вряд ли удастся найти множество дополнительных тяжелых частиц, которые она предсказывает. Энергия современных экспериментов на шестнадцать порядков величины меньше требуемой. Поскольку дополнительные частицы необычайно тяжелы, перспективы открытия экспериментальных свидетельств существования струн крайне слабы, если не считать возможного исключения — моделей с дополнительными измерениями, о которых мы поговорим ниже.

Из-за того, что длина струн столь мала, а натяжение так велико, в большинстве сценариев теории струн мы не найдем при доступных на ускорителях энергиях ни одного свидетельства в поддержку теории струн, даже если теория струн правильна. Физики-частичники, интересующиеся предсказанием экспериментальных результатов, вполне могут применять общепринятую четырехмерную квантовую теорию поля, игнорировать теорию струн и при этом все же получать правильные результаты. До тех пор пока вы изучаете только размеры, большие 10^-33 см (или, эквивалентно, энергии ниже 10¹⁹ ГэВ), ничто из того, что мы рассматривали ранее относительно низкоэнергетических следствий физики частиц, не изменится. Полагая, что размер протона порядка 10^-13 см, а максимальная энергия, достижимая на современных ускорителях, порядка тысячи ГэВ, можно спокойно делать ставку на то, что предсказаний физики частиц вполне достаточно.

Но даже если это так, у физиков-частичников, занимающиеся низкоэнергетическими явлениями, есть веские причины уделить внимание теории струн. Б этих теориях вводятся новые идеи, как математические, так и физические, которые никто ранее не рассматривал, например, браны и другие понятия, связанные с дополнительными измерениями. Даже в четырех измерениях теория струн проложила путь к углубленному пониманию суперсимметрии, квантовой теории поля и взаимодействий, которые могла бы содержать модель квантовой теории поля. И конечно, если теория струн действительно дает полностью согласованное квантово-механическое описание гравитации, это было бы потрясающим достижением. Все эти преимущества делают теорию струн весьма стоящей даже для тех, кто полностью сосредоточился на экспериментально доступных явлениях. Хотя обнаружить струны будет очень трудно (если вообще возможно), теоретические идеи, озаренные светом теории струн, могут иметь отношение к нашему миру. Вскоре мы увидим, как это может случиться.

В 1984 году на пике «суперструнной революции» я была аспиранткой в Гарварде. Довольно скоро стало ясно, что в исследовательской работе у начинающего физика есть два пути. Он может признать теорию струн, следуя по стопам Эда Виттена и Дэвида Гросса, которые в то время работали в Принстоне. Или можно остаться физиком-частичником, имеющим более непосредственный контакт с экспериментальными результатами и работающим в команде под руководством Говарда Джорджи и Шелдона Глэшоу (оба в то время работали в Гарварде). Может показаться невероятным, что физики, интересовавшиеся одинаковыми проблемами, могли быть так разделены, но представления в двух лагерях о том, как достичь прогресса, были очень разными.

В Гарварде царило воодушевление по поводу физики частиц, и многие тамошние физики почти полностью отвергали теорию струн. В физике частиц и космологии оставались нерешенные вопросы — почему бы не ответить на них, прежде чем начать копаться на математическом минном поле, чем угрожала стать теория струн? Приемлемо ли для физики пытаться проникнуть в неизмеримые области? Когда имелось столько замечательных людей и множество интригующих идей о том, как расширить Стандартную модель физики частиц с помощью более традиционных методов, как-то не видно было особых причин бежать с корабля.

Однако были другие научные центры, где физики были убеждены, что все вопросы, касающиеся теории суперструн, будут вскоре разрешены, и что теория струн — это физика будущего (и настоящего). Теория суперструн находилась на ранних стадиях своего развития. Кое-кто верил, что если посвятить ей достаточное количество человеко-часов (а это были, в основном, муже-часы), теоретики-струнники смогут окончательно вывести всю известную физику. В работе 1985 года о гетеротической струне Гросс с коллегами писали: «Хотя остается еще много работы, представляется, что нет непреодолимых препятствий для того, чтобы вывести всю известную физику из… гетеротической струны»[133]. Теория струн обещала стать Теорией Всего Сущего. Принстон шел в авангарде этих идей.

Физики были настолько уверены, что теория струн была дорогой к будущему, что в отделе не осталось теоретиков в области физики частиц, не работавших над теорией струн, — ошибка, которую Принстону еще предстояло исправить.

Сегодня мы не можем сказать, являются ли проблемы, с которыми столкнулась теория, «непреодолимыми» или нет, но они, безусловно, требуют напряжения сил. На многие важные вопросы пока нет ответов. Обращение к нерешенным проблемам теории струн, по-видимому, требует математического аппарата или фундаментального нового подхода, которые далеко выходят за рамки того набора средств, который до сих пор был развит физиками и математиками.

Джо Полчинский в своем широко известном учебнике по теории струн пишет, что «теория струн может отражать набросок реального мира» и в некоторых отношениях это так и есть. Теория струн может включать частицы и взаимодействия Стандартной модели и может быть сведена к четырем измерениям, если свернуть остальные. Однако, хотя и существуют соблазн, что теория струн может включать в себя Стандартную модель, программа поиска идеального кандидата на роль такой модели после двадцатилетних усилий ничуть не приблизилась к завершению.

Первоначально физики надеялись, что теория струн сможет однозначно предсказать, на что должен был быть похож тот мир, из которого получился мир, который мы видим. Но сейчас в рамках теории струн существует множество моделей, которые содержат различные взаимодействия, имеют разные размерности и разные комбинации частиц. Мы хотим найти тот набор, который соответствует видимой Вселенной, и узнать причину, почему этот набор выделен. Пока что никто не знает, как сделать выбор среди возможностей. И в любом случае ни одна из них не выглядит безупречной.

Например, компактификация Калаби — Яу может объяснить число поколений элементарных частиц. Действительно, одна из возможностей — это три поколения Стандартной модели. Но компактификация Калаби — Яу не единственная. Хотя теоретики-струнники первоначально надеялись, что компактификация в многообразие Калаби — Яу выделит предпочтительную структуру и установит однозначные физические законы, они быстро разочаровались. Энди Стромингер рассказывал мне, что через неделю после открытия компактификации Калаби— Яу, когда он был уверен в ее однозначности, его соавтор Гэри Горовиц нашел еще несколько допустимых многообразий. Позднее Энди узнал от Яу, что существуют десятки тысяч допустимых многообразий Калаби — Яу. Сейчас мы знаем, что теории струн, основанные на компактификации Калаби — Яу, могут содержать сотни поколений. Если компактификации Калаби — Яу вообще имеют отношение к делу, то какая из них правильна? И почему? Даже если мы знаем, что некоторые измерения теории струн должны сворачиваться или как-то иначе исчезать, теоретики-струнники должны еще установить принципы, указывающие нам на размер и форму свернутых измерений.

Более того, кроме новых тяжелых струнных частиц, возникающих из волн, много раз колеблющихся вдоль струны, теория струн содержит новые частицы малой массы. Можно ожидать, что если они существуют и настолько легки, как это наивно предсказывает теория струн, такие частицы должны быть видны в экспериментах в нашем мире. Большинство основанных на теории струн моделей содержит намного больше легких частиц и взаимодействий, чем мы наблюдаем при низких энергиях, и совершенно не ясно, что выделяет правильные.

Найти теорию струн, соответствующую реальному миру, представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Нам нужно еще узнать, почему гравитация, частицы и взаимодействия, выведенные из теории струн, должны совпадать с теми, которые существуют в нашем мире. Но эти проблемы с частицами, взаимодействиями и размерностями бледнеют по сравнению с реальным слоном в лавке — огромной переоценкой плотности энергии во Вселенной.

Даже в отсутствие частиц, Вселенная может обладать энергией, известной как энергия вакуума. Согласно общей теории относительности, существование такой энергии приводит к физическому следствию: она расширяет или сжимает пространство. Положительная вакуумная энергия ускоряет расширение Вселенной, в то время как отрицательная вакуумная энергия заставляет ее сжиматься. Эйнштейн впервые предположил существование такой энергии в 1917 году с целью найти статическое решение своих уравнений общей теории относительности, в котором гравитационный эффект энергии вакуума компенсировал бы влияние материи. Хотя затем он по многим причинам отверг эту идею, в том числе из-за открытого в 1929 году Эдвином Хабблом расширения Вселенной, не существует теоретической причины, по которой такая вакуумная энергия не могла бы существовать в нашей Вселенной.

Действительно, недавно астрономы измерили вакуумную энергию в нашем Космосе (ее еще называют темной энергией или космологической постоянной) и получили некоторое малое положительное значение. Они увидели, что далекие сверхновые тусклее, чем можно было бы ожидать, если бы они не разлетались ускоренно. Измерения сверхновых и детальные наблюдения реликтовых фотонов, рожденных во время Большого взрыва, убеждают нас, что Вселенная расширяется с ускорением, а это есть свидетельство того, что вакуумная энергия имеет малое положительное значение.

Это открытие очень важное. Но оно же порождает серьезную проблему. Ускорение очень мало, что говорит нам о том, что значение энергии вакуума хотя и ненулевое, но очень крохотное. Теоретическая проблема с наблюдаемой энергией вакуума состоит в том, что она намного меньше, чем кто-либо может оценить. Согласно оценкам теории струн эта энергия должна была бы быть намного больше. Но если бы это было так, энергия вакуума не просто приводила бы к трудноуловимому ускорению сверхновых. Если бы вакуумная энергия была большой, Вселенная уже давно бы сжалась (при отрицательной вакуумной энергии), или быстро расширилась в никуда (при положительной вакуумной энергии).

Теория струн должна еще объяснить, почему вакуумная энергия Вселенной столь мала. Физика частиц также не знает ответа на этот вопрос. Однако, в противоположность теории струн, физика частиц не претендует на то, чтобы быть теорией квантовой гравитации, она менее амбициозна. Модель физики частиц, которая неспособна объяснить энергию вакуума, неудовлетворительна, но теория струн, дающая неправильное значение этой энергии, вообще исключена.

Вопрос о том, почему плотность энергии столь экстраординарно мала, даже и близко не решен. Некоторые физики верят, что правильного объяснения не существует. Хотя теория струн есть единая теория с единственным параметром — натяжением растянутой струны — теоретики-струнники не могут до сих пор использовать ее для предсказания большинства свойств Вселенной. Большинство физических теорий содержит физические принципы, позволяющие вам отобрать те физические конфигурации, которые будет реально предсказывать теория. Например, большинство систем приходит в состояние покоя в конфигурации, имеющей наименьшую энергию. Но этот критерий, похоже, не работает для теории струн, в которой возможно бесконечное число различных конфигураций, не имеющих одинаковой вакуумной энергии, и мы не знаем, какую из них предпочесть.

Некоторые теоретики-струнники уже больше не пытаются найти однозначную теорию. Они смотрят на возможные размеры и формы скрученных измерений и на различные варианты значений энергии, которые может содержать Вселенная, и заключают, что теория струн может только набросать ландшафт, описывающий гигантское количество возможных вселенных, в которых мы могли бы жить. Эти теоретики не считают, что струна однозначно предсказывает вакуумную энергию. Они верят в то, что в космосе размещено много разных несвязанных областей с различными значениями вакуумной энергии, и мы живем в той части космоса, которая содержит правильное значение. Из множества возможных вселенных лишь одна может породить структуру, которая могла бы содержать (и действительно содержит) нас. Эти физики полагают, что мы живем во Вселенной с настолько фантастически невероятным значением вакуумной энергии, потому лишь что любое большее значение не привело бы к образованию галактик и структуры во Вселенной, а следовательно, предотвратило бы наше существование.

Это рассуждение известно под названием антропный принцип. Этот принцип существенно отличается от целей первоначальной теории струн — предсказать все свойства Вселенной. Он утверждает, что мы не должны объяснять малую энергию. Существуют несвязные вселенные со многими возможными значениями вакуумной энергии, но мы живем в одной из немногих, где может сформироваться структура. Значение энергии в этой вселенной до смешного мало, и только исключительные версии теории струн могут предсказать это очень маленькое значение, но мы можем существовать только во вселенной с очень малой энергией. Этот принцип может быть дискредитирован будущими достижениями, или оправдан более тщательными исследованиями. Однако, к сожалению, это будет трудно (если вообще возможно) проверить. Мир, в котором ответ зиждется на антропном принципе, определенно был бы неутешительным и неудовлетворительным сценарием.

В любом случае теория струн в ее теперешнем состоянии развития безусловно не предсказывает свойств мира, хотя это и единая теория по самой ее формулировке. Повторим снова, что мы столкнулись с вопросом о том, как связать прекрасную симметричную теорию с физическими реалиями нашей Вселенной. Простейшая формулировка теории слишком симметрична: многие размерности и многие частицы и взаимодействия, которые, как нам известно, должны быть разными, в теории совершенно одинаковы. И чтобы установить связь со Стандартной моделью и миром, который мы видим, этот великий порядок должен быть потревожен. После нарушения симметрии единственная теория струн может проявить себя во множестве разных обличий, в соответствии с тем, какие симметрии оказываются нарушенными, какие частицы становятся тяжелыми и какие измерения оказываются выделенными.

Создается впечатление, что теория струн — это красиво скроенное платье, которое не совсем подходит по размеру. В теперешнем состоянии вы можете повесить это платье на вешалку и восхищаться тонким шитьем и сложными стежками — оно действительно прекрасно — но вы не можете носить это платье, пока не сделаете необходимую подгонку. Нам нравится теория струн, которая включает все, что мы знаем о мире. Однако одежда, сшитая по правилу «один размер для всех», редко выглядит хорошо на каждом. Сейчас мы даже не знаем, есть ли у нас правильный набор инструментов, чтобы правильно сшить теорию струн.

Так как мы в действительности не знаем все приложения теории и неясно, будем ли мы их знать когда-нибудь, некоторые физики просто определяют теорию струн как все, что разрешает парадокс квантовой механики и общей теории относительности на малых расстояниях. Конечно, большинство теоретиков-струнников верят, что теория струн и правильная теория — это одно и то же или по крайней мере они очень тесно связаны.

Ясно, что многое еще нужно изучать. Еще слишком рано судить об окончательных достоинствах описания мира с помощью теории струн. Возможно, более искусная математическая машинерия позволит физикам по-настоящему понять теорию струн, или, возможно, физические идеи, запасенные в приложениях теории струн к окружающей Вселенной, подберут ключи к загадке. Для анализа нерешенных проблем теории струн, похоже, потребуется фундаментально новый подход, выходящий далеко за рамки тех средств, которые до сих пор развивали математики и физики.

Тем не менее теория струн очень примечательна. Она уже привела к углубленному пониманию гравитации, размерностей и квантовой теории поля и является наилучшим из всех нам известных кандидатов на роль последовательной теории квантовой гравитации. Кроме того, теория струн привела к невероятно красивым математическим достижениям. Но теоретики-струнники все еще не выполнили тех обещаний, которые были сделаны в 1980-е годы в отношении связи теории струн с миром. Мы до сих пор не знаем большинства следствий теории струн.

Честно говоря, вопросы физики частиц также не получили немедленного ответа. Многие проблемы физики частиц, известные в 1980-е годы, так и остались нерешенными. Среди этих вопросов объяснение происхождения несопоставимых по величине масс элементарных частиц и нахождение правильного решения проблемы иерархии. Кроме того, моделестроители все еще ждут экспериментальных ключей, которые подскажут нам, какая из мириад возможностей правильно описывает физику за рамками Стандартной модели. Пока мы не перейдем к энергиям выше 1 ТэВ, мы вряд ли получим определенные ответы на волнующие нас вопросы.

В наши дни как сообщество физиков, занимающееся теорией струн, так и сообщество специалистов по физике частиц имеют более здравый взгляд на свой уровень понимания, чем это было в 1980-е годы. Мы пытаемся задавать трудные вопросы, а они требуют времени на ответ. Но это волнующее время, так что несмотря на (или, возможно, из-за) множества нерешенных проблем, есть хорошие основания быть оптимистом. Сейчас физики более глубоко понимают многие следствия как физики частиц, так и теории струн, и те исследователи, которые непредвзято воспринимают новые идеи, получают выгоду от достижений обеих школ. Это «срединная» позиция, которую предпочитают некоторые мои коллеги и я сама, и она приводит к потрясающим результатам, с которыми мы скоро познакомимся.

• Гравитон — это частица, переносящая гравитационное взаимодействие, во многом аналогично тому, как фотон переносит электромагнитное взаимодействие.

• Согласно теории струн, фундаментальными объектами в мире являются струны, а не точечноподобные частицы.

• Современные модели дополнительных измерений не используют явно теорию струн. На расстояниях, превышающих крохотный планковский масштаб длины (10^-33 см), достаточно физики частиц.

• Тем не менее теория струн важна для физики частиц даже при низких энергиях благодаря новым понятиям и аналитическим инструментам, которые она вводит.