Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

Рис 12.4 Первые несколько примеров способов (мод) колебаний струны.

 И наоборот, раз уж струна вибрирует в такой причудливой моде, она содержит гигантское количество энергии. Таким образом, все способы колебаний струны, кроме простейших, являются высокоэнергетическими, а потому через Е = mc2 соответствуют частицам с гигантскими массами.

И, говоря гигантские, я действительно имею в виду гигантские. Расчеты показывают, что массы колебаний струны следуют сериями, аналогичными музыкальным гармоникам: они все являются кратными фундаментальной массе, массе Планка, почти как высшие тона все являются кратными повторениями фундаментальной частоты или тона. По стандартам физики частиц планковская масса колоссальна – около десяти миллиардов миллиардов (1019) масс протона, грубо порядка массы пылинки или бактерии. Так что возможные массы колебаний струны есть 0 масс Планка, 1 масса Планка, 2 массы Планка, 3 массы Планка и так далее, что показывает, что все массы, кроме 0-массы колебаний струны, чудовищно велики.[15]

Как вы можете видеть, некоторые частицы в Таблицах 12.1 и 12.2 на самом деле являются безмассовыми, но большая часть нет. А ненулевые массы в таблицах находятся дальше от планковской массы, чем султан Брунея от нуждающегося в кредите. Таким образом, мы ясно видим, что массы известных частиц не соответствуют образцам, выработанным теорией струн. Значит ли это, что теория струн вычеркивается? Вы можете так подумать, но это не так. Наличие бесконечного списка мод колебаний, чьи массы становятся все более удаленными от масс известных частиц, является вызовом, который теория должна преодолеть. Годы исследований открыли подающие надежды стратегии, как это сделать.

Для начала заметим, что эксперименты с известными семействами частиц научили нас, что тяжелые частицы имеют тенденцию быть нестабильными; обычно тяжелые частицы быстро разваливаются на поток частиц малой массы, в конце концов генерируя легчайшие и наиболее привычные семейства в Таблицах 12.1 и 12.2.

(Например, top-кварк распадается примерно за 10–24 секунды). Мы ожидаем, что этот урок сохранит справедливость и для "сверхтяжелых" мод колебаний струны, и это объяснит, почему, даже если они массово производились в горячей ранней вселенной, почти никто не уцелел до сегодняшнего дня. Даже если теория струн верна, нашим единственным шансом увидеть сверхтяжелый способ колебаний будет произвести его самим через высокоэнергетические столкновения в ускорителях частиц. Однако, так как сегодняшние ускорители могут достигнуть только энергий, эквивалентных грубо 1000 масс протона, они слишком маломощные, чтобы возбудить любой из самых спокойных способов колебаний теории струн. Таким образом, предсказание теории струн о башне частиц с массами, начинающимися от величины, в несколько миллионов миллиардов раз большей, чем достижимо для сегодняшней технологии, не находится в конфликте с наблюдениями.

Это объяснение также делает ясным, что контакт между теорией струн и физикой частиц будет касаться только самых низкоэнергетических – безмассовых – колебаний струны, поскольку другие находятся далеко за пределами того, что мы можем достигнуть с сегодняшней технологией. Но как быть с фактом, что большинство частиц в Таблицах 12.1 и 12.2 не являются безмассовыми? Это важная проблема, но менее неприятная, чем сначала она может выглядеть. Поскольку планковская масса гигантская, даже наиболее известные массивные частицы, top-кварки, весят всего только 10–17 от планковской массы. Так для электрона его вес составляет около 10–23 от планковской массы. Так что в первом приближении, – применимом с точностью лучше, чем одна часть на 1017, – все частицы в Таблицах 12.1 и 12.2 имеют массы равные нулю планковских масс (почти как самый богатый землянин, в первом приближении, равен нулю в единицах султана Брунея), точно как "предсказано" теорией струн. Нашей целью является улучшить это приближение и показать, что теория струн объясняет мелкие отклонения от нуля планковских масс, характеризующие частицы в Таблицах 12.1 и 12.2. Просто безмассовые способы колебаний не так сильно отклоняются от данных опыта, как вы могли сначала подумать.

Это ободряет, но детальное исследование обнаруживает дальнейшие проблемы. Используя уравнения теории суперструн, физики составили список каждого безмассового способа колебаний струны. Одна из записей является гравитоном со спином-2, и это большой успех, который дал ход целой теме; это обеспечивает, что гравитация является частью квантовой теории струн. Но расчеты также показывают, что имеется много больше безмассовых способов колебаний со спином-1, чем имеется частиц в Таблице 12.2, и имеется много больше безмассовых способов колебаний с полуцелым спином, чем имеется частиц в Таблице 12.1. Более того, список способов колебаний с полуцелым спином не показывает признаков повторяющегося группирования, подобного структуре поколений Таблицы 12.1. Значит, при менее поверхностной проверке кажется все более трудным увидеть, как колебания струн будут вставать в один ряд с известными семействами частиц.

Таким образом, к середине 1980х, в то время как существовали основания пребывать в возбуждении по поводу теории суперструн, также существовали и причины для скепсиса. Несомненно, теория суперструн представила солидный шаг к унификации. Обеспечив первый последовательный подход к соединению гравитации и квантовой механики, она сделала для физики то же, что сделал Роджер Баннистер в 1954 для бега на милю, "выбежав" из четырех минут: он показал, что кажущееся невозможным возможно. Теория суперструн определенно установила, что мы можем прорваться через кажущийся непроходимым барьер, разделяющий два столпа физики двадцатого столетия.

Однако, в попытках идти дальше и показать, что теория суперструн может объяснить детальные свойства материи и сил природы, физики столкнулись с трудностями. Это привело скептиков к заявлению, что теория суперструн, несмотря на весь ее потенциал для унификации, была просто математической структурой без прямого отношения к физической вселенной.

Даже с только что обсужденными проблемами во главе списка недостатков теории суперструн, составленного скептиками, была особенность, которую мне пора ввести. Теория суперструн на самом деле обеспечивает успешное соединение гравитации и квантовой механики, единственное, которое свободно от математической непоследовательности, которая была бедствием всех предыдущих попыток. Однако, хотя это может звучать странно, в первые годы после ее открытия физики нашли, что уравнения теории суперструн не имеют этих завидных свойств, если вселенная имеет три пространственных измерения. Вместо этого, уравнения теории струн математически состоятельны, только если вселенная имеет девять пространственных измерений, или, включая временное измерение, они работают только во вселенной с десятью пространственно-временными измерениями!

В сравнении с этим странно звучащим утверждением сложности в установлении детального соответствия между способами колебаний струн и известными семействами частиц кажутся второстепенной проблемой. Теория суперструн требует существования шести измерений пространства, которых никто никогда не видел. Это не деликатный вопрос - это проблема.

Или они есть?

Теоретические открытия, сделанные в течение первых десятилетий двадцатого века, задолго до выхода теории струн на сцену, намекали, что дополнительные измерения совсем не обязаны быть проблемой. И с доработками конца двадцатого века физики показали, что эти дополнительные измерения способны перекинуть мост через пропасть между способами колебаний струнной теории и элементарными частицами, открытыми экспериментаторами.

Это одна из самых впечатляющих теоретических разработок; посмотрим, как она работает.

Объединение в высших измерениях

В 1919 Эйнштейн получил статью, которую легко можно было выбросить как бред больного. Она была написана малоизвестным немецким математиком по имени Теодор Калуца и в нескольких коротких страницах закладывала подход к объединению двух сил, известных в то время, гравитации и электромагнетизма. Чтобы достигнуть этой цели, Калуца предложил радикально отступить кое от чего настолько основополагающего, настолько полностью считающегося доказанным, что это казалось вне вопросов. Он предположил, что вселенная не имеет три пространственных измерения. Вместо этого, Калуца попросил Эйнштейна и остальное физическое сообщество принять во внимание возможность, что вселенная имеет четыре пространственных измерения, так что вместе со временем она имеет пять пространственно-временных измерений.

Первое, что это вообще означает? Ну, когда мы говорим, что имеется три пространственных измерения, мы имеем в виду, что имеется три независимых направления или оси, вдоль которых вы можете двигаться. Из вашего текущего положения вы можете описать их как влево/вправо, назад/вперед и вверх/вниз; во вселенной с тремя пространственными измерениями любое движение, которое вы предпринимаете, является некоторой комбинацией движений в этих трех направлениях. Эквивалентно, во вселенной с тремя пространственными измерениями вам нужно три блока информации, чтобы определить положение. В городе, например, вам нужна улица, где стоит здание, пересекающая ее улица и номер этажа, чтобы определить, где у вас вечеринка. А если вы хотите показать людям, до какого момента еда еще горячая, вам также надо определить четвертый блок данных: время. Это то, что мы имеем в виду, полагая пространство-время четырехмерным.