Теория Суперструн: что, зачем, откуда?

«Why Strings?» – неспроста именно этими словами начинается самый хардкорный учебник по теории струн за авторством великого Полчински – ведь даже многие признанные специалисты в области математической физики считают струнные модели лишь красивой игрушкой. Однако, уверяю вас, пользу для народного хозяйства в Теории Струн сможет углядеть любой увлеченный человек (если, конечно, заглянет достаточно глубоко)

Всё началось ровно сто лет назад: первые наивные попытки построить по-настоящему неньютоновскую физику увенчались сокрушительным успехом квантовой механики и квантовой теории поля. Предсказана и открыта античастица электрона – позитрон, описаны атомные спектры, осознан принципиально новый способ получения энергии, в миллионы раз более эффективный, чем сжигание угля… Но задолго до появления первых АЭС стали ясны и принципиальные недостатки почти всех новых физических моделей – при попытке увеличить точность аналитических вычислений отовсюду начинали торчать неопределённости типа «деление на ноль», что сказывалось на психологическом состоянии физиков самым негативным образом. Шутка ли – вы долгие месяцы пытаетесь последовательными приближениями уточнить свой результат, например вероятность рождения электрон-позитронной пары, а она, вероятность эта, ррраз и подленько так стремится к бесконечности – невообразимого масштаба катастрофа. Конечно, ничего подобного в природе не наблюдалось.

На борьбе с так называемыми «расходимостями» в квантовой теории поля сосредоточились целые отделы и институты, и хотя спустя три десятилетия был сформулирован эффективный алгоритм «вычитания» правильных бесконечностей из неправильных, который давал потрясающие по точности результаты (классический пример – аномальный магнитный момент электрона, вычисленный по правилам квантовой электродинамики), математическая его корректность была под вопросом. Физики отчаянно пытались построить реалистичную квантовополевую теорию, не содержащую навязчивых бесконечностей, но получались в основном унылые чуть более, чем полностью, поделки в двумерном пространстве-времени – реальный мир такими не опишешь даже с большой натяжкой. Впрочем, если бы все проблемы квантовой механики ограничивались только этими странными, но уже вполне устранимыми, бесконечностями, этот пост лишился бы заглавной темы.

Громом среди ясного неба стали свойства так вовремя открытых экспериментаторами новых удивительных частиц, названных кварками (считается, что из них состоят протоны и нейтроны). На расстоянии, меньшем радиуса атома, они практически никак друг с другом не взаимодействовали, зато с увеличением дистанции между ними росла и склеивающая их сила, словно между кварками натягивался, всё сильнее и сильнее, обычный жгут… или струна. Чуть позднее этот феномен обзовут «конфайнментом», а Математический институт Клэя пообещает миллион долларов тому, кто раскроет тайну его появления. Почему же это явление принесло столько проблем физикам-теоретикам? Во-первых, из-за быстрого роста силы с расстоянием стало невозможно применять старые вычислительные техники (диаграммы Фейнмана в этом случае бесполезны) – асимптотические ряды, и так содержащие сингулярности на каждом шагу, попросту перестали сходиться окончательно. Во-вторых, в рамках новой парадигмы оказалось чрезвычайно трудно описать даже такую «простую» вещь как протон – ведь он оказался склеен из бесчисленного множества кварков и глюонов.

К счастью, особо пытливые умы, начитавшись в юности Бурбаки, а в зрелости Гротендика, увидели в свойствах кварков новые возможности. Ведь если даже между кварками натянуты струны, почему бы не натянуть их вообще везде? Грубо говоря, отцы теории струн предложили рассмотреть вместо динамики одномерных точек в пространстве-времени динамику колеблющихся протяженных и натянутых струн и постулировали: разные частицы – лишь колебания струны на разных частотах (а в квантовой механике любая частица это и есть колебание, то есть волна). Постепенно уровень абстракции повышался и, наконец, прогремели две струнные революции, принесшие человечеству понимание: 1) можно успешно строить такие теории 2) эти теории не содержат ультрафиолетовых расходимостей – тех самых назойливых бесконечностей 3) и вполне успешно описывают сильносвязанные кварки, что доселе было невиданно.

Читатель, с темой не знакомый, осторожно спросит, отчего же струнные теории до сих пор в массовом сознании остаются уделом безумных профессоров из кинофильмов, если они избавляют физиков от стольких проблем? Читатель, о теме что-то слышавший, ему уверенно ответит: вычисления в теории струн крайне сложны и запутаны, в теориях много непонятных дополнительных измерений (дело доходит до 26-мерного пространства-времени!), а самое главное: до сих пор нет позитивистских предсказаний этой теории, которые можно было бы проверить на эксперименте. К сожалению, второй читатель прав. К счастью – не до конца.

Сегодня теория струн и родившаяся из неё голография (AdS/CFT-correspondence) – хотя и донельзя сложный, но пока единственный инструмент в руках специалистов, который поможет разрешить или уже разрешает целый ряд совершенно практических задач: описание экстремальных состояний материи, например кварк-глюонной плазмы, или построение квантовой гравитации. Короче говоря, тех задач, успешное разрешение которых позволит человечеству выйти на следующий уровень понимания Природы и ухватить за бороду термоядерный синтез. Или нет.

Популярное введение в тему для дальнейшего чтения:

1) С. Вайнберг. Мечты об окончательной теории

2) А.В. Смилга. Квантовая теория поля на обед

Источник: vk.com

Комментарии: