Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания - [105]

Сегодня большинство теоретиков представляют себе не волны материи (де Бройля/Шрёдингера), колеблющиеся на атомном масштабе, а струны (одномерные нити) и мембраны (многомерные поверхности), вибрирующие на гораздо более мелких масштабах. Эти струны и мембраны являются чисто геометрическими структурами, которые за счет своих вибраций и кручений порождают все известные свойства частиц. Теория струн — это довольно обширная тема. Давайте ее кратко рассмотрим.

Первоначальным импульсом к возникновению теории струн послужила неудачная попытка японского физика Йоитиро Намбу и его коллег в конце 1960-х и начале 1970-хгодов (еще до того, как родилась идея глюонов) представить механизм сильного взаимодействия в виде модели, где частицы соединялись друг с другом посредством гибких энергетических нитей Эти бозонные струны, как они их называли, действовали наподобие собачьего поводка, удерживая частицу в крошечной области ядерного масштаба, но при этом не ограничивая свободу в пределах «поводка».

В 1971 году французский физик Пьер Рамон обнаружил способ описания фермионов — тоже в виде струн. Он разработал метод, получивший название суперсимметрия, в котором бозонные струны могли быть преобразованы в фермионные путем вращения в некотором абстрактном пространстве. Его открытие вдохновило теоретиков Джона Шварца и Андре Неве на разработку универсальной теории, описывающей строительные блоки материи (фермионы) и частицы-переносчики взаимодействий (бозоны) с помощью струн, колеблющихся всевозможными способами. Этим универсальным объектам был присвоен титул суперструн. Один специфический аспект теории суперструн заключается в том, что она математически полна (за исключением слагаемых, которые рассматриваются как нефизические) только в пространстве десяти или более измерений. Ранее в этом же году физик Клод Лавлейс показал, что бозонные струны требуют двадцати шести измерений, так что сокращение необходимых измерений до десяти было похоже на улучшение теории.

К середине 1970-х годов физики буквально вгрызались в статьи и книги, описывающие теорию Калуцы — Клейна в высших измерениях, в надежде понять, как с ней работать. Учебник по общей теории относительности с предисловием Эйнштейна, написанный Бергманном в 1940 году, помог теоретическому сообществу освежить в памяти методы работы с более чем четырьмя измерениями. Старая идея компактификации, предложенная Оскаром Клейном (о том, что дополнительные измерения настолько плотно свернуты, что их нельзя увидеть), переживала возрождение. Теоретики нашли способы свернуть шесть дополнительных измерений в крошечные, плотно упакованные, как клубки ниток, пространства. Математики Эудженио Калаби и Шинтан Яу разработали схему классификации таких скрученных пространств, называемых теперь многообразиями Калаби — Яу.

Ажиотаж в физическом сообществе достиг накала в 1975 году, когда Джон Шварц и французский физик Жоэль Шерк предложили способ объяснения гравитации при помощи суперсимметрии. Они показали, как гравитоны — гипотетические бозоны — переносчики гравитационного взаимодействия — естественным образом возникают в их теории, если применить методы суперсимметрии к другим типам частиц. Гравитация, утверждали исследователи, оказывалась, таким образом, естественным следствием союза между бозонами и фермионами. Пожените эти два типа элементарных частиц, и от их брака родятся гравитоны.

Многие ученые, например французские теоретики Эжен Креммер, Бернар Джулиа и Жоэль Шерк из Высшей нормальной школы в Париже, голландский физик Бернар де Вит совместно с немецким физиком Херманном Николаи, научная группа голландского физика Питера ван Ньювенхейзена из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук применили суперсимметрию к стандартной квантовой теории поля (не используя струны). Такой подход был назван супергравитацией. Креммер, Джулиа и Шерк показали, как такая теория может быть идеально размещена в одиннадцатимерном пространстве-времени[20], где лишние семь измерений сворачивались. Несмотря на многообещающее начало, супергравитация столкнулась с проблемами при описании определенных аспектов мира частиц.

Объединившись с британским физиком Майклом Грином, Шварц продолжил исследования свойств суперструн. В 1984 году Грин и Шварц объявили, что им удалось создать десятимерную модель, которая свободна от аномалий (технических математических дефектов). Кроме того, в отличие от КЭД, электрослабой теории и других стандартных квантово-полевых теорий, суперструнные теории поля приводят к конечным значениям различных физических величин и поэтому не требуют сокращения бесконечных выражений путем перенормировки. Полученные ими результаты, которые сразу окрестили «суперструнной революцией», давали множество поводов для радости. Возможно, с помощью суперструн, думали многие физики, удастся закончить поиски единой теории поля, начатые Эйнштейном.

Подобно тому как Эйнштейн, Шрёдингер и прочие ученые показали, что существует множество способов расширить общую теорию относительности, Грин, Шварц и другие исследователи, такие как блестящий теоретик Эдвард Виттен из Института перспективных исследований в Принстоне, который доказал ключевые теоремы новой теории, разработали множество типов теории суперструн. На самом деле выбор был настолько большой, что просто глаза разбегались. Теория суперструн вскоре стала лабиринтом с бесчисленным множеством возможных маршрутов. Но какой из них будет той самой нитью Ариадны, которая приведет к единой всеобъемлющей теории природы?