Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Суперструны решили проблему устойчивости первых струнных моделей, но одновременно с ними в теории оказались безмассовые частицы, которые взаимодействовали со всеми энергиями. Это раздражало, поскольку основной целью первых теорий струн было объяснение сильного взаимодействия, а в ядерных взаимодействиях, как известно, нет никаких безмассовых частиц. Но в 1974 году Джоэл Шерк и Шварц показали, что существует одна известная безмассовая частица, которая как раз взаимодействует со всеми энергиями – гравитон. Они предположили, что, возможно, теория струн является не теорией сильных взаимодействий, а теорией квантовой гравитации и всех других известных взаимодействий – то есть теорией всего.

Эта идея сначала ошеломила всех, поскольку теоретики, в 1970-х годах занимающиеся теорией элементарных частиц, не слишком озадачивались гравитацией. Однако к 1984 году стало ясно, что Стандартная модель хорошо объясняет поведение элементарных частиц, и теоретики занялись поиском новых задач. В том же году Майкл Грин и Джон Шварц показали, что в теории суперструн можно избежать проблем с математической противоречивостью, которые, как многие думали, могли сделать теорию нерелевантной. Подобно тому, как теория электрослабых взаимодействий стала страшно популярной, как только Хоофт показал, что она перенормируема, теория струн начала свое победное шествие после выхода статьи Грина и Шварца и в последующие годы стала одной из основных составляющих теории элементарных частиц.

Существует еще одна проблема, которую теории струн необходимо решить: размерность пространства-времени. Квантовая теория поля более гибкая, чем теория струн, и есть разумные теории поля для самых разных размерностей пространства-времени. Но теория суперструн жестче – ранние исследования показали, что естественное количест во размерностей пространства-времени, при которых теория чувствует себя комфортно, равно десяти: девять измерений для пространства и одно для времени (в нашем обычном мире три пространственные размерности и одна временная). С этого места слабонервных просим остановиться и пропустить следующие несколько идей. Теоретики, занимающиеся теорией струн, давно хотели включить гравитацию в теории известных взаимодействий. И вот они позаимствовали старую идею, выдвинутую еще в 1920 году Теодором Калуцей и Оскаром Клейном, состоящую в следующем: возможно, некоторые измерения пространства скрываются от нашего взгляда, свернувшись в крошечный шарик – настолько крошечный, что его трудно рассмотреть или даже исследовать в ускорителях частиц высоких энергий. Цилиндр, например соломинка или резиновый шланг, имеют два измерения – положение каждой точки на поверхности цилиндра вы можете определить, указав две координаты. Но если вы посмотрите на них издалека, они покажутся вам просто отрезком прямой. С этой точки зрения, издалека цилиндр представляет собой линию, в каждой точке которой имеется крошечный компактный круг. Вспомним, что короткие волны соответствуют высоким энергиям, и если компактное пространство достаточно мало, только частицы с чрезвычайно высокими энергиями могут его почувствовать.

Три разные модели компактификации. То, что выглядит для макроскопического наблюдателя точкой, при ближайшем рассмотрении оказывается пространством большего числа измерений. Слева направо: тор (поверхность бублика), сфера (поверхность мячика), деформированное пространство между двумя бранами. Реальные компактификации будут включать большее количество дополнительных измерений, но это трудно изобразить на рисунке.

Идея «компактификации» дополнительных измерений, с помощью которой теоретики пытаются связать теорию струн с наблюдаемыми явлениями, стала важной частью этой теории. Для создания различных ее версий на фундаментальном уровне существует очень мало свободных параметров. Как было показано в 1980 году, на самом деле есть только пять струнных теорий, в каждой из них вводится десять измерений пространства-времени, и когда шесть из них мы скрываем, то обнаруживаем, что компактификацию можно выполнить многими различными способами. Хотя непосредственное изучение компактного многообразия требует очень высоких энергий (предположительно порядка планковской энергии квантовой гравитации – 10 18 ГэВ), способ конкретной компактификации непосредственно влияет на физические процессы, которые мы наблюдаем и при низких энергиях. Под «характеристиками компактификации» мы имеем в виду ее объем, форму, и топологию. Компактификация на тор (поверхность бублика) будет сильно отличаться от компактификации на сферу (поверхность шара). А под «физическими процессами, которые мы наблюдаем при низких энергиях», мы понимаем разнообразие существующих фермионов и сил, а также конкретные значения различных масс и взаимодействий.