Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

В 2017 году существовал лишь один кандидат на звание более глубокой теории, соответствующей всем ограничениям, — теория струн. [257] Альтернативный и более консервативный подход к поиску более глубокой теории гравитации называется теорией петлевой квантовой гравитации (см. Smolin L. Three Roads to Quantum Gravity. — London: Basic Books, 2002). Эта теория описывает гравитацию на квантовом уровне, но не пытается объединить её с другими видами взаимодействия. Кроме того, ещё не было доказано, что в макромасштабе она ведёт к общей теории относительности.

Теория струн, также известная как теория суперструн, возникла в результате попытки понять, что собой представляет сильное ядерное взаимодействие. Сильным его называют не просто так. Для того чтобы оторвать два кварка друг от друга, требуется столько энергии, что в пространстве между ними при этом спонтанно возникает пара «кварк–антикварк». Представьте себе, что вы пытаетесь подойти к другу в толпе, но между вами постоянно втискиваются другие люди. Вот так чувствуют себя кварки. Сильное ядерное взаимодействие удерживает их в границах протонов и нейтронов в атомных ядрах и делает выделение единичного кварка невозможным. [258] Кварки могут иметь одну из двух строго определённых конфигураций. Три кварка составляют барион (ими являются, например, протоны и нейтроны), а пара «кварк–антикварк» называется мезоном. Кварки удерживаются в границах барионов и мезонов только при низком уровне энергии. Если уровень энергии высок, как, например, был при Большом взрыве, они разрываются и формируется аморфная кварк-глюонная плазма.

Что странно в сильном ядерном взаимодействии, так это то, что оно растёт по мере увеличения расстояния между кварками. Сравните его с силой притяжения (чем дальше два массивных тела друг от друга, тем гравитация слабее) или магнетизмом (если увеличить расстояние между магнитами, он тоже ослабнет). Причина размывания этих сил в том, что они распространяются во всех направлениях. [259] Поскольку гравитация действует во всех направлениях, на расстоянии r от массивного тела она распространяется по площади сферы 4π r 2 и, соответственно, уменьшается на 1/4π r 2 . На этом основании действует закон обратных квадратов. Но в том случае, если сила ограничена узким каналом между двумя телами, она действительно может расти по мере их расхождения, как при растяжении пружины или резиновой ленты. [260] Именно это и происходит с магнитным полем внутри суперпроводника — материала, охлаждённого до такой температуры, при которой исчезает его естественное электрическое сопротивление. Внутри материала магнитное поле заключено в узкие каналы, называемые силовыми трубками. Точно так же это работает и в случае сильного ядерного взаимодействия между кварками. И это их поведение стало первым признаком того, что фундаментальные строительные блоки Вселенной могут быть похожи не на крошечные точки, а на одномерные энергетические струны.

В данной теории, пионером которой в 1968 году стал итальянский физик Габриэле Венециано, эти струны вибрируют, как на музыкальном инструменте, и каждая вибрация соответствует определённой фундаментальной частице. [261] Veneziano G. Construction of a crossing-symmetric, Regge behaved amplitude for linearly rising trajectories // Nuovo Cimento A. — 1968. — Vol. 57. — P. 190. Теория Венециано, называющаяся дуально-резонансной моделью, позднее превратилась в теорию струн. «По сути, теория струн описывает пространство и время, массу и энергию, гравитацию и свет, всё Божье творение как музыку», — говорит писатель Рой Х. Уильямс. [262] Williams R. H. String Theology. — 31 July 2006 ( http://www.mondaymorningmemo.com/newsletters/string-theology/ ).

Быстро вибрирующая скрипичная струна имеет больше энергии, чем вибрирующая медленно. Соответственно, суперструна с быстрой вибрацией соответствует субатомной частице с высоким значением массы-энергии, например топ-кварку, а с медленной вибрацией — с низким, например электрону. Однако из-за сложности математических вычислений физики не могут быть до конца уверены, что все возможные типы вибраций соответствуют всем известным фундаментальным частицам.

Струны могут быть либо разомкнутыми, либо кольцеобразными, и эта конфигурация определяет их взаимодействие с другими струнами.

Теория струн автоматически соотносит каждую частицу с полуцелым спином (частицу-переносчицу) с частицей с целым спином (материей) и наоборот. Именно потому, что она включает в себя суперсимметрию, эта теория называется теорией суперструн. Как уже говорилось, учёным ещё не удалось обнаружить ни одного суперпартнёра существующих частиц, хотя приверженцы теории струн полагают, что они просто слишком массивны, чтобы их можно было получить в БАК.