Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

Шварц и его соавтор Джоэл Шерк были озадачены этой отсутствующей частицей, пока в блестящем интеллектуальном прорыве они не установили связь с совершенно другой проблемой. Хотя никто не мог объединить общую теорию относительности и квантовую механику, физики определили некоторые свойства, которые должны возникать в любом таком успешном союзе. И, как отмечено в главе 9, одно из свойств, которые они нашли, состоит в том, что точно так же, как электромагнитные силы микроскопически переносятся фотонами, гравитационные силы должны микроскопически переноситься другим классом частиц, гравитонами (самыми элементарными, квантовыми кусочками гравитации). Хотя гравитоны ещё предстоит найти экспериментально, любой теоретический анализ приводит к тому, что гравитоны должны иметь два свойства: они должны быть безмассовыми и иметь спин 2. Для Шварца и Шерка это было как удар в колокол — это были в точности свойства непослушной частицы, предсказанной теорией струн, — и это заставило их предпринять смелый шаг, который превратил неудачу теории струн в яркий успех.

Они предположили, что теория струн не должна рассматриваться как квантово-механическая теория сильных ядерных взаимодействий. Они объясняли, что хотя теория была открыта в попытке понять сильные взаимодействия, на самом деле она является решением другой проблемы. На самом деле она является первой квантово-механической теорией гравитационного взаимодействия. Они заявили, что безмассовая частица со спином 2, предсказанная теорией струн, является гравитоном, и что уравнения теории струн с необходимостью включают квантово-механическое описание гравитации.

Шварц и Шерк опубликовали свои предположения в 1974 г. и ожидали бурной реакции от физического сообщества. Но их труд был проигнорирован. Ретроспективно, не трудно понять, почему. Некоторым казалось, что концепция струн стала теорией в поиске приложений. После того как попытки использовать теорию струн для объяснения сильных ядерных взаимодействий провалились, казалось, что её сторонники не смогли признать поражения и вместо этого из кожи вон лезли, стараясь найти применение теории где-то в другом месте. Дров в огонь подкинуло то, что стало ясно, как Шварцу и Шерку нужно радикально изменить размер струн в своей теории, чтобы силы, переносимые этим кандидатом в гравитоны, соответствовали обычной, известной силе гравитации. Поскольку гравитация является экстремально слабой силой[75] и поскольку оказалось, что чем длиннее струна, тем сильнее переносимое взаимодействие, Шварц и Шерк обнаружили, что струны должны быть предельно малы, чтобы переносить такую слабую силу, как гравитация; их размер должен быть порядка планковской длины, в сотню миллиардов миллиардов раз меньше, чем сначала представлялось. Настолько малы, как отмечали с усмешкой сомневающиеся, что не существует оборудования, которое могло бы их увидеть, а это означает, что теория не может быть проверена экспериментально.{162}

По контрасту с этим, 1970-е гг. ознаменовались многочисленными успехами в более обычных, не основанных на струнах, теориях, формулируемых с использованием точечных частиц и полей. Головы и руки теоретиков и экспериментаторов были полны конкретными идеями исследований и заняты теоретическими предсказаниями, требующими проверки. Зачем заниматься спекулятивной теорией струн, когда имеется так много интересной работы внутри испытанных схем? Во многом из-за таких настроений, хотя физики и держали в потаённых уголках сознания мысль, что проблема соединения гравитации и квантовой механики остаётся нерешённой с использованием обычных методов, теория струн не была проблемой, привлекающей внимание. Почти каждый признавал, что это важная проблема и однажды к ней придётся обратиться, но с той огромной работой, которую ещё остаётся сделать в области негравитационных взаимодействий, проблема квантования гравитации задвигалась в дальний угол. И, наконец, в период с середины до конца 1970-х гг. теория струн была далеко не полностью разработана. То, что она содержала кандидата на гравитон, было успехом, но всё ещё имелось большое число концептуальных и технических проблем. Казалось вполне правдоподобным, что теория не сможет решить некоторые из этих проблем, так что работа в теории струн означала значительный риск. В течение нескольких лет теория могла погибнуть.

Шварц остался твёрд. Он был уверен, что открытие теории струн, первого правдоподобного подхода к описанию гравитации на языке квантовой механики, является крупным прорывом. Если никто не хочет его слышать, прекрасно. Он будет прилагать усилия в прежнем направлении и развивать теорию, так что когда люди будут готовы уделить этой теории внимание, она будет продвинута намного дальше. Его решение оказалось пророческим.

В конце 1970-х — начале 1980-х гг. Шварц объединился с Майклом Грином, работавшим тогда в Колледже королевы Марии в Лондоне, и они разрешили некоторые технические трудности, имевшиеся в теории струн. Первой среди них была проблема аномалий. Детали не существенны, но, грубо говоря, аномалия является разрушительным квантовым эффектом, который очень плох для теории, так как приводит к нарушению некоторых священных принципов, например сохранения энергии. Чтобы быть жизнеспособной, теория должна быть свободна от всех аномалий. Первоначальные исследования обнаружили, что теория струн страдает от нашествия аномалий, и это было одной из главных технических причин, по которым она не могла вызвать много энтузиазма. Аномалии означали, что хотя теория струн выглядит способной дать квантовую теорию гравитации, поскольку она содержит гравитоны, но более пристальная проверка показывает, что теория страдает от своей собственной математической несостоятельности.

Шварц понял, однако, что ситуация является не вполне ясной. Имелся шанс — хотя и довольно призрачный, — что полный расчёт покажет: различные квантовые вклады в аномалии, от которых страдает теория струн, при корректном объединении взаимно уничтожают друг друга. Вместе с Грином Шварц предпринял тяжёлую работу по расчёту этих аномалий и к лету 1984 г. они достигли успеха. Одной бурной ночью в Физическом центре Аспена в Колорадо они завершили одно из наиболее важных вычислений в этой области — расчёт, показывающий, что все потенциальные аномалии действительно были уничтожены одна другой, способом, который кажется почти сверхъестественным. Они обнаружили, что теория струн свободна от аномалий и потому не страдает от математической несостоятельности. Теория струн, как они убедительно продемонстрировали, оказалась квантово-механически жизнеспособной.

На этот раз физики прислушались. Это была середина 1980-х гг., и климат в физике ощутимо изменился. Многие из существенных особенностей трёх негравитационных взаимодействий были исследованы теоретически и подтверждены экспериментально. Хотя важные детали оставались непонятыми — а некоторые не поняты до сих пор, — сообщество было готово энергично взяться за следующую большую проблему: соединение общей теории относительности и квантовой механики. Тогда из малоизвестного угла физики Грин и Шварц неожиданно вырвались на сцену с определённым, математически последовательным и эстетически привлекательным предложением того, что надо делать. Едва ли не в течение ночи число исследователей, работавших в теории струн, возросло с двух человек до более чем тысячи. Произошла первая струнная революция.

Первая революция

Я поступил в аспирантуру в Оксфордском университете в конце 1984 г. и в течение нескольких месяцев коридоры гудели от разговоров о революции в физике. Поскольку Интернету ещё только предстояло получить широкое распространение, доминирующим каналом обмена информацией были слухи, и каждый день они доносили вести о новых прорывах. Исследователи повсюду высказывались в том смысле, что атмосфера была заряжена так, как не бывала со времён первых дней квантовой механики, и шли серьёзные разговоры о том, что конец теоретической физики находится в пределах достижимого.

Теория струн была новой почти для каждого, так что в эти ранние дни её детали не были общеизвестны. Нам особенно повезло в Оксфорде: Майкл Грин в то время посетил его с лекцией по теории струн, так что многие из нас ознакомились с основными идеями теории и её существенными утверждениями. И это были впечатляющие утверждения. В двух словах, вот что гласила теория:

Возьмите любое тело — кусок льда, каменную глыбу, железную плиту — и представьте, что его делят пополам, затем один из кусков ещё пополам и т. д.; представьте продолжающееся деление материала на всё более мелкие куски. Примерно 2500 лет назад древние греки сформулировали проблему определения мельчайшей неделимой составляющей, которая являлась бы конечным продуктом такой процедуры. В наше время мы узнали, что рано или поздно вы придёте к атомам, но атомы не являются ответом на вопрос греков, поскольку они могут быть разделены на более мелкие составляющие. Атомы могут быть расщеплены. Мы узнали, что они состоят из электронов, которые роятся вокруг центрального ядра, а оно, в свою очередь, состоит из ещё более мелких частиц — протонов и нейтронов. А в конце 1960-х гг. эксперименты на Стэнфордском линейном ускорителе показали, что даже сами нейтроны и протоны построены из более фундаментальных составляющих: каждый протон и каждый нейтрон состоит из трёх частиц, называемых кварками, как было отмечено в главе 9 и как проиллюстрировано на рис. 12.3а.