Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной - Леонард Сасскинд

Провравшись в отношении размерности пространства, теория струн, конечно, поступила очень плохо, но ещё хуже было то, что она провралась и в предсказании закона, которому подчиняются ядерные силы между адронами. Вместо близкодействующих ядерных сил теория предсказывала дальнодействующие силы, неограниченно простирающиеся в пространстве, подобные электромагнитным или гравитационным. Если подогнать короткодействующую ядерную силу под правильное значение, то электрическая сила была бы в 100 раз сильнее, а гравитационная – в 1040 раз. О том, чтобы отождествить эти дальнодействующие силы с реальными гравитационными или электрическими силами, не могло быть и речи.

Все силы в мире, будь то гравитационные, электрические или ядерные, имеют одну и ту же природу. Представьте себе электрон, обращающийся вокруг центрального ядра. Время от времени электрон испускает фотоны, и куда же эти фотоны деваются? Если атом возбуждён, то фотон может улететь прочь, а атом перейти на более низкий энергетический уровень. Но если атом уже находится в самом низшем энергетическом состоянии, фотон не может унести с собой часть энергии. Единственный выход для фотона – быть поглощённым другим электроном или положительно заряженным ядром. Таким образом, в реальном атоме электроны и ядра постоянно перебрасываются фотонами подобно цирковым жонглёрам. Этот обмен частицами, в данном случае фотонами, и является источником всех сил в природе. Любые силы – электрические, магнитные, гравитационные – в конечном итоге приводят нас к фейнмановским обменным диаграммам, на которых кванты летают от одних частиц к другим. Для электрических и магнитных сил такими обменными квантами являются фотоны; для гравитационных сил ту же работу выполняют гравитоны. Мы с вами прикованы к Земле гравитонами, которыми обмениваются частицы наших тел с частицами нашей планеты. Но для сил, удерживающих вместе протоны и нейтроны в ядре, такими обменными квантами являются пи-мезоны (пионы). Если заглянуть внутрь протонов и нейтронов, то мы увидим, что составляющие их кварки обмениваются друг с другом глюонами. Установление связи между силами и соответствующими этим силам обменными частицами было одним из величайших достижений физики XX века.

Если природа ядерных, электромагнитных и гравитационных сил одинакова, то отчего же они настолько различны? Электромагнитные и гравитационные силы являются дальнодействующими, что позволяет гравитации удерживать планеты на их орбитах, в то время как ядерные силы сходят на нет уже на расстояниях порядка диаметра протона. Если вы думаете, что различия между силами связаны с какими-то индивидуальными свойствами создающих эти силы обменных частиц, то окажетесь абсолютно правы. Определяющим фактором дальнодействия какой-нибудь силы является масса создающей эту силу обменной частицы: чем легче частица, тем более дальнодействующей является сила. Причина дальнодействия гравитации и электричества состоит в том, что гравитон и фотон являются безмассовыми частицами. А вот пион, наоборот, весьма массивен – его масса в 300 раз больше массы электрона. Можно сравнить влияние массы переносчика взаимодействия на характер взаимодействия с влиянием избыточного веса на достижения атлета. Чем он тяжелее, тем меньше расстояние, на которое он может прыгнуть, чтобы достать другую частицу.

Теория струн является также и теорией сил. Вернёмся к аналогии с танцорами. Представьте себе, как две цепочки взявшихся за руки танцоров приближаются друг у другу. Всё это время, за исключением короткого промежутка времени, когда они соединяются в одну цепочку, они исполняют разные танцы. Перед тем как встретиться, от одной из цепочек отделяется группа танцоров, которые образуют третью короткую цепочку. Эта третья цепочка направляется ко второй группе и соединяется с ней.

Так две первоначальные группы постоянно обмениваются короткими цепочками, и это порождает действующую между ними силу.

Издалека мировой лист, описывающий этот обмен, выглядит как буква «Н», но «под микроскопом» линии, образующие эту букву, превращаются в подобие водопроводных труб. Поперечная палочка буквы «Н» – это мировой лист обменной струны, которая летает туда-сюда между вертикальными палочками и создаёт действующую между ними силу. В первые дни теории струн те из нас, кто надеялся объяснить с её помощью всё, что имеет отношение к адронам, испытывали восторг от открывающихся перспектив описания ядерных сил, удерживающих протоны и нейтроны в ядре.

К несчастью, наши надежды очень скоро рухнули. Когда были выполнены первые расчёты, стало понятно, что полученный закон, описывающий силы между струнами, не имеет ничего общего с законом, которому подчиняются силы, удерживающие нуклоны вместе. Вместо короткодействующих ядерных сил мы получили дальнодействующие силы, скорее напоминающие электромагнитные или гравитационные, о чём я уже упоминал ранее. Обнаружить причину этого оказалось несложно. Среди похожих на частицы вибрирующих струн были два объекта с очень специфическими свойствами. Первый – открытые струны типа тех, которые описывают мезоны, а второй – замкнутые струны, описывающие глюболы. Оба этих объекта отличались тем, что не имели массы, – точно так же, как фотоны и гравитоны! При обмене этими объектами между частицами возникали силы – почти такие же, как электрические силы между зарядами или гравитационные силы между массами. Открытые струны вели себя как фотоны, но наибольшим сюрпризом для меня оказалось то, что замкнутые глюболы вели себя точно так же, как в теории должны вести себя неуловимые таинственные гравитоны. Это всё могло бы стать источником бесконечной радости, если бы мы собирались построить новую теорию гравитации и электромагнетизма, но это было весьма далеко от нашей цели. Ведь мы-то хотели описать ядерные силы, и в этом смысле все наши попытки потерпели сокрушительный провал. Мы оказались в тупике.

В теории струн есть ещё одна трудность. Она одновременно является «теорией всего» и «теорией ничего». Первоначальной целью теории было описание адронов, и ничего больше. Электроны, фотоны и гравитоны оставались точечными частицами. Многолетние эксперименты убеждали нас, что если электроны и фотоны и имели какие-то размеры, то были гораздо меньше адронов. Они с таким же успехом могли быть просто точками, если так можно выразиться. С другой стороны, было очевидно, что адроны точками быть никак не могут. Точка не может вращаться вокруг собственной оси. Думая о вращающемся объекте, я представляю себе кусок теста, который вертит повар, готовящий пиццу, или баскетбольный мяч, который баскетболист крутит на пальце. Но невозможно представить себе вращение бесконечно малой точки. Адрону очень легко придать вращение: возбуждённые вращательные состояния адронов регулярно наблюдаются в экспериментах на ускорителях. Адроны должны быть больше похожи на кусок теста, чем на математическую точку. Но никому ещё не удалось заставить вращаться электрон или фотон.[75]

Реальные адроны могут взаимодействовать и взаимодействуют с точечными частицами. Протон способен поглощать и испускать фотоны точно так же, как это делает электрон. Но как только мы пытаемся построить теорию, в которой струнноподобный адрон взаимодействует с фотоном, всё летит к чёрту. Одно математическое противоречие за другим разрушает все наши попытки.

И тут сразу многим пришла в голову очевидная идея. Колеблющаяся струна – разумеется, не точка, но мы всегда считали, что на концах струны находятся точечные кварки. Почему бы не считать, что и весь электрический заряд струны тоже сосредоточен на этих кварках? После этого останется лишь просчитать взаимодействие фотонов с точечными зарядами – детская задача. Но, как известно, порой даже лучшие планы идут наперекосяк.

Проблема в том, что струны в теории струн обладают исключительно сильной квантовой дрожью. Чрезвычайно высокочастотные квантовые флуктуации оказываются настолько дикими и неконтролируемыми, что кварки, находящиеся на концах струны, могут оказаться на самом краю Вселенной. Это звучит глупо, но части струны вибрируют настолько сильно, что в очень короткие промежутки времени могут оказываться бесконечно далеко!

Я попытаюсь объяснить такое интуитивно непонятное поведение струн на простом примере. Представьте себе гитарную струну. Она несколько отличается от струн струнной теории, в первую очередь тем, что концы гитарных струн неподвижно закреплены на концах грифа и деки. Но сейчас это не важно. Важным является то, что струны обоих видов могут иметь различные моды колебаний. Гитарная струна может колебаться как единое целое, двигаясь, как детская скакалка. Когда возбуждена эта мода колебаний, струна звучит как основной тон.

Но, как известно любому гитаристу, струны могут звучать и на обертонах высших гармоник. При этом струна колеблется не как единое целое, а как одна или несколько струн, соединённых последовательно своими концами. Например, в моде первой гармоники струна колеблется, как будто она разделена пополам: середина струны остаётся неподвижной.