XX век ознаменовался рождением двух основных физических теорий — общей теории относительности и квантовой механики. Развиваясь независимо, они очень долго не могли найти общего языка для плодотворного сотрудничества, и только к концу века появились скромные надежды на умиротворение этих двух фундаментальных теорий в рамках одного еще более универсального подхода. Запланированное на XXI век создание «единой теории поля» уже идет полным ходом, и, быть может, уже совсем скоро даже школьники будут знать, почему наш мир таков, каким мы его видим.
Стандартные метаморфозы
Обычная квантовая механика описывает движение элементарных частиц с малыми по сравнению со скоростью света скоростями. При приближении скорости к световой энергия любой частицы становится столь значительной, что начинают массово появляться новые частицы и испускаться кванты света. Особенно сильно это заметно при столкновении двух релятивистских частиц, когда рождается множество новых, гораздо более тяжелых, чем сталкивающиеся. Увы, но квантовая механика не рассматривает процессы рождения и уничтожения и применима лишь для систем с неизменным числом частиц. В результате даже переходы атома из одного состояния в другое, сопровождаемые испусканием и поглощением фотонов, корректно описать в рамках квантовой механики невозможно. Она дает лишь приближенное описание, справедливое в той мере, в какой можно пренебречь испусканием и поглощением частиц. Однако круг стоявших проблем не исчерпывался описанием взаимных превращений частиц, задача ученых заключалась в том, чтобы научиться квантовать классические поля, то есть изучить системы с бесконечным числом степеней свободы. Обе эти задачи были успешно решены еще в первой половине ХХ века, без каких-либо кардинальных пересмотров геометрии нашего мира.
Метод квантования систем с переменным числом частиц, называемый методом вторичного квантования, был впервые предложен английским физиком Полем Дираком в 1927 году и развит советским физиком Владимиром Фоком в работе 1932 года. А описание частиц, движущихся со скоростями, сравнимыми со скоростью света, сегодня успешно происходит в рамках релятивистской квантовой механики.
Парадоксы вакуума
Одним из важнейших объектов квантовой теории поля является вакуум. Физический вакуум — это не совсем пустое место. Для элементарных частиц это просто низшее энергетическое состояние соответствующих частице полей. И если полю, находящемуся в вакуумном состоянии, сообщить достаточную энергию, то происходит его возбуждение, то есть рождение частиц, квантов этого поля. Классический пример такого рода процесса — рождение электрон-позитронной пары под воздействием гамма-кванта. Не менее замечателен и обратный процесс — аннигиляция позитрона и электрона, сопровождающаяся рождением гамма-квантов.
Однако существует возможность экспериментально наблюдать и более тонкое влияние физического вакуума на поведение элементарных частиц и макроскопических предметов. Например, поляризация вакуума вблизи атомного ядра приводит к сдвигу энергетических уровней электрона в атоме водорода, экспериментально открытому в 1947 году У. Лэмбом и Р. Ризерфордом. Теоретический расчет этого сдвига, называемого лэмбовским, был произведен Г. Бете в 1947 году. Взаимодействие заряженных частиц с вакуумом изменяет и их магнитный момент. Первая квантовая поправка такого рода была вычислена Ю. Швингером в 1948 году.
Другое широко известное квантовое явление, обусловленное взаимодействием с вакуумом, — это эффект Казимира, предсказанный нидерландским физиком в 1948 году и экспериментально подтвержденный спустя 10 лет Э. Спаарнеем. Эффект Казимира проявляется в том, что между двумя незаряженными проводящими параллельными пластинами в вакууме возникает небольшая и зависящая от расстояния сила притяжения. Силы, возникающие благодаря эффекту Казимира, уникальны, так как они не зависят ни от масс, ни от зарядов, ни от иных характеристик пластин. Данный эффект является единственным макроскопическим проявлением физики вакуума квантованных полей.
Заряды и поля
В классической теории тот или иной заряд создает неким образом поле, и уже это поле действует на другие заряды. В квантовой теории взаимодействие частиц выглядит как испускание и поглощение квантов поля. Таким образом, и притяжение, и отталкивание становятся результатом обмена квантами поля.
Физики до недавнего времени раздельно изучали материю в ее двух проявлениях — веществе и поле. Это было оправдано, поскольку частицы вещества и кванты поля обладают разными свойствами, ведут себя различным образом и имеют разные значения спина (от английского spin — вращение, квантовый аналог собственного момента вращения элементарной частицы, измеряется в единицах постоянной Планка (ђ=1,0546 .10-34 Дж.с). Те элементарные частицы, из которых состоит вещество, имеют полуцелое значение спина и называются фермионами. Для них справедлив принцип Паули, согласно которому две одинаковые (или тождественные) частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Элементарные частицы, являющиеся квантами поля, имеют целый спин и называются бозонами. Принцип Паули на них не распространяется, и в одном и том же состоянии может находиться любое число таких частиц.
Согласно современным представлениям вещество состоит из кварков и лептонов (всего их 12 штук — 3 семейства по 4 частицы в каждом), описываемых фермионными квантовыми полями. Известны также четыре фундаментальных взаимодействия — гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое, — которые описываются бозонными квантовыми полями.
Основы квантовой теории электромагнитного поля (квантовая электродинамика, КЭД) были заложены в конце 1920-х годов Полем Дираком. Свою современную форму квантовая электродинамика приобрела на рубеже 1940—1950-х годов в работах Ю. Швингера, С. Томонаги и Р. Фейнмана, удостоенных в 1965 году Нобелевской премии. Квантовая теория поля представляет собой логически последовательную основу для описания элементарных частиц и их фундаментальных взаимодействий.
В конце 1960-х годов была построена единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий. В работах Ш. Глэшоу, С. Вайнберга и А. Салама, получивших Нобелевскую премию 1979 года, было показано, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Квантами (переносчиками) слабого взаимодействия выступают W+, W- и Z0 — бозоны, называемые промежуточными векторными бозонами. Эти частицы, предсказанные теоретиками, были экспериментально открыты на ускорителе в ЦЕРНе только в 1983 году.
Квантовая теория сильного взаимодействия элементарных частиц, называемая квантовой хромодинамикой (КХД), возникла в начале 1970-х годов. Согласно КХД переносчиками сильных взаимодействий являются 8 глюонов. Кварки притягиваются, обмениваясь глюонами, и таким образом образуют адроны. В настоящее время известно несколько сотен адронов. Адроны с целым спином называют мезонами, а с полуцелым — барионами. Обычные мезоны состоят из пары кварк-антикварк, а барионы — из трех кварков. Недавно были открыты пентакварки — экзотические адроны, состоящие из пяти кварков.
В современной физике частицы взаимодействуют друг с другом посредством так называемых калибровочных полей, отвечающих симметриям конкретного взаимодействия. Можно сказать даже более определенно — всем известным типам сил соответствует та или иная симметрия. В настоящее время имеются теории всех четырех типов взаимодействия частиц, проверенные в экспериментах на ускорителях, в лабораториях и космическом пространстве. Квантовая теория калибровочных полей, называемая часто «Стандартной Моделью», в настоящее время является общепринятой основой для физики элементарных частиц. Хотя Стандартная Модель и описывает все явления, которые мы можем наблюдать с использованием современных ускорителей, все же многие вопросы пока остаются без ответа.
Преимущество единой теории
Одной из основных целей современной теоретической физики является единое описание окружающего нас мира. Например, специальная теория относительности объединила электричество и магнетизм в единую электромагнитную силу. Квантовая теория, предложенная в работах Глэшоу, Вайнберга и Салама, показала, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Так что есть все основания полагать, что все фундаментальные взаимодействия в конечном итоге объединятся. Если мы начнем сравнивать сильное и электрослабое взаимодействия, то нам придется уходить в области все больших энергий, пока они не сравняются по силе и не сольются в одно в районе энергий 1016 ГэВ. Гравитация же присоединится к ним согласно Стандартной Модели при энергиях порядка 1019 ГэВ. К сожалению, такие энергии сталкивающихся на ускорителях частиц не только не доступны в настоящее время, но и вряд ли будут доступны в обозримом будущем. Однако теоретические исследования по поиску единой теории всех фундаментальных взаимодействий идут полным ходом.
Объединение двух фундаментальных теорий современной физики — квантовой теории и общей теории относительности — в рамках единого теоретического подхода до недавнего времени было одной из важнейших проблем. Примечательно, что эти две теории, взятые вместе, воплощают почти всю сумму человеческих знаний о наиболее фундаментальных взаимодействиях в природе. Поразительный успех этих двух теорий состоит в том, что вместе они могут объяснить поведение материи практически в любых условиях — от внутриядерной до космической области. Большой загадкой, однако, была несовместимость этих двух теорий. И было непонятно, почему природа на своем самом глубоком и фундаментальном уровне должна требовать двух различных подходов с двумя наборами математических методов, двух наборов постулатов и двух наборов физических законов? В идеале хотелось иметь Единую теорию поля, объединяющую эти две фундаментальные теории. Однако попытки их соединения постоянно разбивались из-за появления бесконечностей (расходимостей) или нарушения некоторых важнейших физических принципов. Объединить две эти теории удалось лишь в рамках теории струн и суперструн.
О пользе старых книг
История создания теории струн началась с чисто случайного открытия в квантовой теории, сделанного в 1968 году Дж. Венециано и М. Судзуки. Перелистывая старые труды по математике, они случайно натолкнулись на бетта-функцию, описанную в XVIII веке Леонардом Эйлером. К своему удивлению, они обнаружили, что, используя эту бетта-функцию, можно замечательно описать рассеяние сталкивающихся на ускорителе частиц. В 1970—1971 годах Намбу и Гото поняли, что за матрицами рассеяния скрывается классическая (не квантовая) релятивистская струна, то есть некий микроскопический объект, отдаленно напоминающий тонкую, натянутую струну. Потом были сформулированы и построены методы квантования таких струн. Однако оказалось, что квантовую теорию струн корректно (без отрицательных или больших единицы квантовых вероятностей) можно построить лишь в 10 и 26 измерениях, и модель сразу перестала быть привлекательной. В течение 10 лет идея влачила жалкое существование, поскольку никто не мог поверить, что 10- или 26-мерная теория имеет какое-либо отношение к физике в 4-мерном пространстве-времени. Когда в 1974 году Шерк и Шварц сделали предположение, что эта модель является на самом деле теорией всех известных фундаментальных взаимодействий, никто не принял это всерьез. Спустя 10 лет, в 1984 году, появилась знаменитая работа М. Грина и Д. Шварца. В этой работе было показано, что возникающие при квантовомеханических расчетах бесконечности могут в точности сокращаться благодаря симметриям, присущим суперструнам. После этой работы теория суперструн стала рассматриваться как основной кандидат на единую теорию всех фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, и ее начали активно разрабатывать, пытаясь свести все разнообразие частиц и полей микромира к неким чисто пространственно-геометрическим явлениям. В чем же заключается смысл этой «универсальной» теории?
Секрет взаимодействия
Мы привыкли думать об элементарных частицах (типа электрона) как о точечных объектах. Однако, возможно, первичным является не понятие частицы, а представление о некоей струне — протяженном, неточечном объекте. В этом случае все наблюдаемые частицы — просто колебания этих самых микроскопических струн. Струны бесконечно тонки, но длина их конечна и составляет около 10-35 м. Это ничтожно мало даже по сравнению с размером атомного ядра, так что для многих задач можно считать, что частицы точечные. Но для квантовой теории струнная природа элементарных частиц довольно-таки важна.
Струны бывают открытыми и замкнутыми. Двигаясь в пространствевремени, они покрывают (заметают) поверхности, называемые мировыми листами. Отметим, что поверхность мирового листа — гладкая. Из этого следует одно важное свойство струнной теории — в ней нет ряда бесконечностей, присущих квантовой теории поля с точечными частицами.
Струны имеют определенные устойчивые формы колебаний — моды, которые обеспечивают частице, соответствующей данной моде, такие характеристики, как масса, спин, заряд и другие квантовые числа. Это и есть окончательное объединение — все частицы могут быть описаны через один объект — струну. Таким образом, теория суперструн связывает все фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы между собой способом, похожим на тот, которым скрипичная струна позволяет дать единое описание всех музыкальных тонов — зажимая по-разному скрипичные струны, можно извлекать самые разные звуки.
Простейшее струнное взаимодействие, описывающее процесс превращения двух замкнутых струн в одну, можно представлять в виде устоявшейся аналогии — обычных штанов, форму которых приобретают их мировые листы. В этом случае штанины символизируют сближающиеся струны, сливающиеся в одну в районе верхней части штанов. Взаимодействие струн имеет очень естественный геометрический образ — оно связано с процессами разрыва и слияния струн. Соединим два простейших струнных взаимодействия между собой (склеим двое штанов в районе пояса). В результате получим процесс, в котором две замкнутые струны взаимодействуют через объединение в промежуточную замкнутую струну, которая потом опять распадается на две, но уже другие струны.
В струнной теории, в частности, существует замкнутая струна, соответствующая безмассовому гравитону — частице, переносящей гравитационное взаимодействие. Одной из особенностей теории является то, что она естественно и неизбежно включает в себя гравитацию как одно из фундаментальных взаимодействий.
Все выглядит достаточно просто и заманчиво, однако математические проблемы, с которыми столкнулись физики-теоретики при разработке новой теории, оказались крайне велики. Струны колеблются, двигаются, сливаются и разделяются в своеобразном 10-мерном пространстве, имеющем очень причудливую структуру, и на сегодня ученые не знают точно не только геометрию этого пространства, но и не имеют точных решений уравнений, описывающих поведение струн.
Уменьшить пространство
У струн могут быть совершенно произвольные условия на границах. Например, замкнутая струна должна иметь периодичные граничные условия (струна «переходит сама в себя»). У открытых струн бывает два типа граничных условий — первый, когда концы струны могут свободно перемещаться в любую точку пространства, и второй, когда ее концы могут двигаться только по некоторому множеству точек внутри пространства. Это множество точек — многообразие — называется D-браной. Часто после буквы D пишут некоторое целое число, характеризующее число пространственных измерений многообразия.
Струнная теория — это нечто большее, чем просто теория взаимодействия элементарных частиц. Совсем недавно обнаружилась самая тесная связь между разрывами пространства, D3-бранами и черными дырами. И такие сугубо термодинамические характеристики, как температура и энтропия сколлапсировавшей звезды, нашли свое описание на языке суперструн.
Суперструны существуют в 10-мерном пространстве-времени, в то время как мы живем в 4-мерном, то есть воспринимаем различными органами чувств только три пространственные и одну временную координаты. И если суперструны описывают нашу Вселенную, нам необходимо связать между собой эти два пространства. Для этого обычно сворачивают 6 дополнительных измерений до очень маленького размера (порядка 10-35 м). Из-за малости этого расстояния оно становится абсолютно незаметным не только для глаза, но и всех современных ускорителей элементарных частиц. В конечном итоге мы получим привычное 4-мерное пространство, каждой точке которого отвечает крохотное 6-мерное пространство, так называемое Калаби-Яу.
Идея сворачивания лишних координат восходит к работе 1921 года Теодора Калуцы и статье 1926 года Оскара Клейна. Описанный выше механизм называют теорией Калуцы–Клейна, или компактификацией. В самой работе Калуцы показано, что если взять общую теорию относительности в 5-мерном пространстве-времени, а затем свернуть одно измерение в окружность, то получится 4-мерное пространство-время с общей теорией относительности плюс электромагнетизм. Хотя свернутые измерения и малы для прямого обнаружения, тем не менее они имеют глубокий физический смысл.
У струн есть еще одно замечательное свойство — они могут «наматываться» на компактное измерение. Это приводит к появлению так называемых оборотных мод в спектре масс. Замкнутая струна может обернуться вокруг компактного измерения целое число раз. В теории струн для малых размеров дополнительных измерений оборотные моды становятся очень легкими. Это позволяет интерпретировать эти моды как наблюдаемые нами элементарные частицы.
Свойства многообразия Калаби-Яу имеют важные приложения к физике низких энергий — к элементарным частицам, которые мы наблюдаем, их массам и квантовым числам, а также к числу поколений частиц. Проблемой является то, что существует огромное множество многообразий Калаби-Яу, и пока неясно, какое из них надо использовать для описания мира, в котором мы живем. В этом плане из одной 10-мерной струнной теории можно получить много четырехмерных теорий, просто меняя вид пространства Калаби-Яу.
Физики возлагают надежды на то, что полная теория струн сможет найти это единственное многообразие Калаби-Яу и объяснить, как Вселенная перешла от 10-мерного пространства, существовавшего в первые мгновения после Большого взрыва, к современному — 4-мерному.
Первооснова всего
По современным представлениям, квантовое поле является наиболее фундаментальной и универсальной формой материи, лежащей в основе всех ее конкретных проявлений. Понятие поля возникло в физике при отказе от представлений о дальнодействии и мгновенной передачи взаимодействия между частицами и осознании того, что у силы может быть ее материальный переносчик, способный существовать и в отрыве от реального источника силы. Наиболее близким и знакомым нам примером таких полей являются электромагнитные волны. Квантовое поле сегодня рассматривают как единый фундаментальный объект, заменяющий все поля и частицы классической физики. Привычные классические силы, действующие между телами, таким образом, представляют собой вторичные эффекты, возникающие в результате обмена виртуальными частицами — квантами поля данного взаимодействия. Ну а обмен любыми частицами может происходить со скоростью, не превышающей световую, поэтому каждое поле имеет свою скорость распространения по пространству. С математической точки зрения полевое описание крайне удобно, поскольку позволяет каждой точке пространства приписать определенную величину напряженности описываемого поля и таким образом четко определить силу, действующую на пробное точечное тело, помещенное в данную точку пространства в данный момент времени. Но именно такое непрерывное и однородное представление о поле и не позволяло долгие годы объединить между собой ОТО Эйнштейна и квантовую механику, и только уход от точечных объектов и событий, происходящих в сколь угодно малой области пространства, дали ученым надежду в рамках единого подхода описать все возможные явления нашего материального мира.
Дуальность как основа
Величайший парадокс теории суперструн состоит в том, что сама она не является единой. Можно выделить пять различных согласованных суперструнных теорий, известных как тип I, тип IIA, тип IIB, SO(32) и E8 x E8.
В начале последнего десятилетия XX века одним из принципиальных вопросов теоретической физики был вопрос выбора той или иной струнной теории в качестве кандидата на роль Единой теории. И в решении этого фундаментального вопроса в последние годы был достигнут значительный прогресс. Оказалось, что все известные теории суперструн связаны между собой преобразованиями дуальности, открытыми в 1995 году. На основе анализа взаимосвязи разных теорий выдвинута гипотеза, согласно которой все теории суперструн являются специальными случаями единой фундаментальной теории, названной M-теорией. Эта теория живет в 11-мерном пространстве-времени и на больших расстояниях описывает 11-мерную супергравитацию. С открытием дуальности связана третья струнная революция. Первая струнная революция была вызвана изучением амплитуд рассеяния. Вторая струнная революция связана с открытием Грином и Шварцем суперсимметрии.
Пять существующих теорий суперструн кажутся различными с точки зрения слабосвязанной теории, но на самом деле все теории суперструн связаны между собой разнообразными струнными дуальностями. Теории называются дуальными, если они, существенно различаясь в конкретных деталях, тем не менее описывают одну и ту же физическую реальность. Дуальности между различными теориями суперструн являются свидетельством того, что все они являются различными предельными случаями некоторой одной теории, названной М-теорией.
При низких энергиях взаимодействующих частиц М-теория сводится к так называемой 11-мерной супергравитации. В этой теории есть мембрана и пятьбрана в качестве солитонов (так называют уединенные волны), но нет струн. Струны получаются при сворачивании одного из измерений 11-мерной М-теории. Причем эта теория объясняет в том числе и проблемы темной материи, обнаруженной недавно астрофизиками. Обнаружение одной универсальной квантовой теории очень ободрило физиков, и работа над построением полной квантовой М-теории сейчас идет полным ходом. Теория суперструн является наиболее многообещающим кандидатом на роль квантовой теории всех известных фундаментальных взаимодействий (гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого). Эта теория достаточно элегантно решает проблему объединения двух фундаментальных физических теорий XX столетия — квантовой теории и общей теории относительности.
Как получить суперсимметрию
Все частицы в природе делятся на два типа — бозоны и фермионы. Таким образом, любая теория, претендующая на фундаментальность, должна включать в себя оба типа частиц. Когда рассматривают структуру мировых листов струн с учетом наличия бозонов и фермионов, автоматически получают новый тип симметрии — суперсимметрию — симметрию между бозонами и фермионами. Фермионы и бозоны оказываются связанными через эту симметрию, и у каждого из них должен быть суперпартнер из противоположного лагеря. Именно из-за симметрии между бозонами и фермионами появляется приставка «супер» в суперструнах. Согласованная квантовая теория суперструн существует лишь в десятимерии, то есть пространстве-времени с десятью измерениями. Во всех других случаях теория из-за квантовых эффектов становится несогласованной, или «аномальной». В десятимерии же эти эффекты полностью исчезают, компенсируясь симметрией между бозонами и фермионами.
Струнная космология
Наше современное представление о Вселенной и ее происхождении зависит не только от фундаментальных законов физики, но и от начальных условий во времена Большого взрыва. Например, движение брошенного мяча определяется законами гравитации. Однако, имея лишь законы гравитации, нельзя предсказать, где упадет мяч. Нужно еще знать начальные условия, то есть величину и направление его скорости в момент броска. Для описания начальных условий, существовавших при рождении Вселенной, используется модель Большого взрыва. В стандартной модели Большого взрыва начальные условия задаются бесконечными значениями энергии, плотности и температуры в момент рождения Вселенной. Иногда пытаются представить этот момент истории как взрыв некоей космической бомбы, порождающей материю в уже существующей Вселенной. Однако этот образ неправильный. Ведь когда взрывается бомба, она взрывается в определенном месте пространства и в определенный момент времени и ее содержимое просто разлетается в разные стороны. Большой взрыв представляет собой порождение самого пространства. В момент Большого взрыва не было никакого пространства вне области взрыва. Или, если быть более точным, еще не было нашего пространства, возникавшего как раз в процессе взрыва и инфляционного расширения. (Более подробно с современной инфляционной теорией происхождения Вселенной можно ознакомиться в материале «Мир, рожденный из ничего» — «Вокруг света», февраль, 2004 год.)
Теория струн модифицирует стандартную космологическую модель в трех ключевых пунктах. Во-первых, из теории струн следует, что Вселенная в момент рождения имеет минимально допустимый размер. Во-вторых, из теории струн следует дуальность малых и больших радиусов. В-третьих, число пространственно-временных измерений в теории струн и М-теории больше четырех, поэтому струнная космология описывает эволюцию всех этих измерений. В начальный момент существования Вселенной все ее пространственные измерения равноправны и свернуты в многомерный клубок планковского размера. И только потом, в ходе инфляции и Большого взрыва часть измерений освобождается из оков суперструн и разворачивается в наше огромное 4-мерное пространство-время.
Из теории струн (дуальности больших и малых размеров) следует, что сокращение радиусов пространств до и ниже планковского размера физически эквивалентно уменьшению размеров пространства до планковских, с последующим их увеличением. Поэтому сжатие Вселенной до размеров, меньших планковских, приведет к прекращению роста температуры и ее последующему снижению, как после Большого взрыва, с точки зрения внутреннего наблюдателя, находящегося в этой самой Вселенной. Получается достаточно забавная картина, чем-то напоминающая пульсирующую Вселенную, когда одна Вселенная через своеобразный коллапс до клубка планковских размеров разворачивается затем в новую расширяющуюся Вселенную с теми же, по сути, физическими свойствами.
