теория струн

В 1968 году два молодых теоретика из ЦЕРНа, Габриэле Венециано и Махико Сузуки, занимались математическим анализом столкновений пионов (в устаревшей номенклатуре — пи-мезонов). Подобные квантовые коллизии описывают с помощью матрицы рассеяния, которая позволяет найти вероятности переходов сталкивающихся частиц из начальных состояний в конечные.
В каждом случае ее обычно вычисляют лишь приближенно. Венециано и Сузуки независимо друг от друга заметили, что амплитуду парного рассеяния высокоэнергетичных пионов можно очень точно выразить с помощью малоизвестной бета-функции, которую в 1730 году придумал Леонард Эйлер. В чистом виде ее используют редко, и говорят, что церновские физики наткнулись на бета-функцию случайно, просматривая математические справочники. Это событие вызвало в физике элементарных частиц немалую сенсацию. Вскоре другие теоретики установили, что амплитуда пион-пионного рассеяния на самом деле задается разложением в бесконечный ряд, первый и основной член которого как раз и совпадает с формулой Венециано—Сузуки.
А в 1970 году Ёчиро Намбу, Тецуо Гото, Леонард Сасскинд и Хольгер Нильсен обнаружили поистине удивительную вещь. Они вывели эту же формулу, предположив, что взаимодействие между сталкивающимися пионами возникает из-за того, что их соединяет бесконечно тонкая колеблющаяся нить, подчиняющаяся законам квантовой механики.
Этот неожиданный результат дал толчок изобретению моделей, представляющих элементарные частицы в виде сверхмикроскопических одномерных камертонов, вибрирующих на определенных нотах. Их-то и стали называть струнами.

Первая версия теории струн получила название бозонной, так как имела дело только с целочисленными спинами. Однако в 1971 году Джон Шварц, Андре Невё и Пьер Рамон нашли обобщение струнной концепции, которая описывала как бозоны, так и фермионы, частицы с полуцелым спином. В этой модели с каждой бозонной струнной вибрацией сочетается парная ей фермионная. В квантовой теории поля такое соответствие между бозонами и фермионами именуют суперсимметрией. Поэтому новую версию стали называть суперсимметричной теорией струн или, короче, теорией суперструн.
Изначально в ней видели кандидата на общую теорию сильного взаимодействия между элементарными частицами. Но как раз в начале 1970-х появилась квантовая хромодинамика, чрезвычайно эффективный способ описания сильных взаимодействий, основанный на кварковой модели. Она прекрасно согласовывалась с экспериментами и к тому же не выходила за рамки квантовой теории поля, которые считались универсальной основой фундаментальных объяснений микромира. Теория струн на этом фоне выглядела чистой экзотикой, которая к тому же не могла похвастаться ни внутренней стройностью, ни экспериментальными подтверждениями. Поэтому почти все специалисты ее просто проигнорировали.
Теоретики много лет пытались найти квантовую версию общей теории относительности. Эта задача была и остается орешком особой твердости. Уравнения ОТО предсказывают существование гравитационных волн, которые при квантовании превращаются в гравитоны, переносчики силы тяготения. Практически все теоретики были согласны, что гравитонам положено обладать нулевой массой и двойным спином. И вот в 1974 году Шварц с Шерком заявили, что таинственная безмассовая частица струнной модели и есть гравитон! Отсюда следовало, что теория струн — это не метод описания сильных взаимодействий, а математический каркас для конструирования квантовой теории тяготения. Она не конкурент квантовой хромодинамике, ее задача — объединить все фундаментальные взаимодействия и стать Теорией Всего.

Юная теория сразу же столкнулась и с трудностями иного рода. В том же 1970 году американец Клод Лавлейс заметил, что модель Венециано математически корректна только в случае, если пространственно-временной континуум является 26-мерным. Это еще можно было пережить, но вскоре Шварц, Невё и Рамон ввели в теорию струн спин и доказали, что в таком виде она может реализоваться только в десятимерном пространстве-времени, вмещающем девять пространственных измерений и одно временное.
В 1984 году Джон Шварц и Майкл Грин доказали, что аномалии теории суперструн взаимно аннулируют друг друга. в результате интерес к ней возродился, и к середине 1990-х она уже существовала в пяти различных формулировках. Разнобой продержался недолго: в 1995 году Эдвард Виттен установил, что эти формулировки являются разными воплощениями единой суперструнной модели, которую он окрестил М-теорией (почему — не вполне ясно).
Точные уравнения теории суперструн сложны и плохо поддаются интерпретации, и физики предпочитали их приближенные версии. В некоторых формулировках теории струн появлялись предельные случаи, которые добавляли к ней еще одно пространственное измерение.
Виттен показал, что это не случайность: теория суперструн с 10-мерным пространством-временем оказалась лишь аппроксимацией более полной 11-мерной структуры!

Этот результат привел к глубокой перестройке основ теории. Виттен, Пол Таунсенд и еще несколько физиков добавили к одномерным струнам пространственные многообразия с большим числом измерений. Двумерные объекты стали называть мембранами, или 2-бранами, трехмерные — 3-бранами, структуры с размерностью p — p-бранами. Теория струн превратилась в теорию бран произвольной размерности — от 1 до 9. Однако одномерные струны все равно остаются главными: именно их вибрации и проявляют себя в виде элементарных частиц. А вот браны ограничивают свободу струнных движений, причем только струн со свободными концами. Джозеф Полчински доказал, что оба конца таких струн всегда закреплены либо на одной и той же бране, либо на двух бранах, причем не обязательно одинаковой размерности. Замкнутые в кольца струны концов не имеют и могут гулять сами по себе, как кошка у Киплинга.
Если пространство нашей Вселенной — это 3-брана (что правдоподобно) и если все «наши» частицы укоренены в ней обоими концами, они не могут ее покинуть и уйти в другие многообразия. Выходит, что мы заперты в своем пространстве не из-за того, что из него некуда выйти, а потому, что оно нас от себя не отпускает.