Мы даже не пытались её найти. Вот в чём загвоздка.
Физики, стремившиеся лучше понять квантовую гравитацию, неожиданно натолкнулись на саму суть теории струн. Это произошло совершенно случайно. Они изучали столкновения частиц высоких энергий. Их цель была чисто математической — «починить» расчёты. Вместо этого они обнаружили струны.
Разрезая яблоко всё глубже
Представьте себе яблоко. Вы разрезаете его пополам, затем на четвертинки. Потом доходят до молекул, атомов, протонов и кварков.
Теория струн утверждает, что можно идти дальше. Глубже протонов. Природа состоит не из точек, а из вибрирующих нитей.
Звучит как фантастика, но корни этой идеи уходят в прошлое. Теория была развита в 1960-х годах. Какая стояла цель? Объединить мир микроскопического с миром макроскопического.
Квантовая механика описывает крошечные объекты. Общая теория относительности управляет гравитацией. Они несовместимы. Математически. Если попытаться впихнуть гравитацию в квантовую коробочку, уравнения взрываются. Они ломаются.
Теория струн предлагает выход. Замените точечные частицы петлями из струн. Заставьте струну вибрировать по-другому, и вы получите другие частицы. Одна вибрация — это электрон. Другая — гравитон, призрачный переносчик гравитации. Теория также требует как минимум 10 измерений. Мы видим лишь четыре. А остальные? Скрыты.
Проверить это? Невозможно. Пока что.
Чтобы «увидеть» струну, нужна энергия, превосходящая всё воображаемое. Ускоритель частиц размером со всю нашу галактику. Такого у нас нет.
Поэтому физики обошли проблему. Или проявили хитрость. Зависит от того, кого вы спросите.
Либо бутстрэп, либо провал
Если нельзя посмотреть прямо, посмотрите сбоку.
Команда из Калтеха, Нью-Йоркского университета и института в Барселоне решила использовать метод «бутстрэп» (самоуправляемое определение свойств). Они игнорировали полную теорию, начав практически с нуля. Всего несколько базовых правил о том, как природа должна вести себя при экстремально высоких энергиях.
И посмотрели, какая математика получится в результате.
Они начали с минимальных допущений. Только поведение рассеяния. И затем, без каких-либо указаний, математика сама породила струны.
«Струны просто вывалились наружу».
Клифф Чунг из Калтеха говорит, что у них не было никаких предположений о струнных. На входе не было струн. А на выходе? Чистый сигнатурный признак теории струн.
«Мы не начинали с каких-либо допущений о струнных… однако решение содержало краеугольный камень теории».
Является ли это доказательством? Нет.
Но это важно, потому что математика могла бы пойти в любом направлении. Но она этого не сделала. Она последовала по уникальному пути, ведущему прямо в «струнный» мир.
Бесконечная башня из «мусора»
Вот что они нашли: спектр струн.
Ещё в конце 1960-х годов Gabriele Veneziano столкнулся с кучей данных. Ускорители частиц извергали потоки «мусора» — частиц с различной массой. Никто не знал, что это такое. Венециано написал функцию. Она подошла идеально.
Он выявил бесконечную башню частиц. Масса возрастает. Спин возрастает. Порядок и хаос одновременно.
«Никто не имел ни малейшего понятия о том, что происходит».
Позже мы осознали, что эти частицы подобны музыкальным гармоникам. Струна скрипки. Основная нота. Затем обертоны.
Теория струн — это музыка для реальности. Разные вибрации. Разные частицы.
Затем настал 1974 год. У Джона Шварца и Джоэла Шерка произошло озарение.
Теория не просто подходила для частиц. Она обязана была включать гравитацию.
Тогда гравитацией никто не интересовался. По крайней мере, всерьёз. Физиков волновали другие, «железные» вещи. Но общая теория относительности разрушается при высоких энергиях. Это лишь низкоэнергетическое приближение. Теория струн? Она остаётся устойчивой. Она сохраняла свою форму, когда другие теории рушились.
Шварц вспоминает то волнение.
«Некоторая версия теории струн могла бы предоставить… единую квантовую теорию».
Одна струна, множество вибраций. Открытые струны. Замкнутые струны. Фотоны. Гравитоны. Всё танцует в единой рамке.
Когда гравитация ошибается
Давайте поговорим о режиме отказа.
Столкновения высоких энергий вблизи планковского масштаба разрушают стандартную физику. Попробуете прокрутить числа с помощью общей теории относительности?
Бах. Бесконечности. Абсурд.
«Если вы возьмёте общую теорию относительности… вы получите результат, лишённый смысла. Всё полностью ломается».
Теория струн уклоняется от этой проблемы. У неё есть трюк: ультрамягкость.
По мере роста энергии взаимодействия сглаживаются. Они перестают быть насильственными. Частицы перестают агрессивно рассеиваться. Математика остаётся спокойной. Она не уходит в бесконечность.
Чунг выражает это так. Частицы при таких энергиях? Они едва ли хотят касаться друг друга.
«Это как будто частицы… предпочитают проходить свободно».
Исследователи использовали две ключевые идеи, чтобы «заставить» математику сработать:
— Ультрамягкое поведение
— Минимальные нули (ограничения на то, где вероятность падает до нуля)
Именно эти два правила вынудили систему принять единственное решение.
Старые идеи, новая жизнь
Клифф Чунг сравнивает этот метод с судоку. Мало подсказок. Одна идеальная сетка.
«Глубокая ирония заключается в том, что… это супер-ретро. Это старая школа».
На самом деле это древняя история по меркам физики. Идея бутстрэпа стара. Стивен Фраутши. Джеффри Чу. Они играли в эту игру в 60-х, прежде чем подход пришёл в упадок.
«Они не начинали со струн… а решения выходили сами собой».
Хироши Огури из Калтеха называет это возрождением. Инструменты сейчас лучше. Мы глубже понимаем основы. Мы можем быстрее переводить допущения в предсказания.
Команда, в которую входил Грэм Реммен из Нью-Йоркского университета, показала, что базовые правила согласованности напрямую ведут к бесконечной башне массивных частиц.
Это возникло автоматически.
Практически из ничего.
Источник: «Strings from almost nothing» («Струны почти из ничего»). Принято в Physical Review Letters. DOI: 10.111/cw4p-cq7
Финансирование предоставлено Министерством энергетики США, институтами Калтеха, стипендией NYU и фондами ЕС Next Generation. Также внесли вклад Микеле Таркуини и Франческо Скьотти.
Мы нашли струны, проигнорировав их. Заставляет задуматься. Разве вселенная не просто математика, решаемая сама себя?
Возможно.
