Лиза Рэндалл - Достучаться до небес - Научный взгляд на устройство Вселенной

Несмотря на скепсис Джорджи и Глэшоу, многие физики решили, что разбираться с некоторыми сложными теоретическими вопросами можно только на основании подхода «сверху вниз». Специалисты по теории струн выбрали для себя область деятельности, которая не является в строгом смысле наукой, но уже породила множество интереснейших, хотя и противоречивых идей. Эти люди в какой‑то степени разобрались в своей теории, но по большей части до сих пор заняты складыванием головоломки — ищут ключевые фундаментальные принципы и одновременно развивают свои радикальные идеи.

Рассматривать теорию струн как теорию гравитации их заставляют не конкретные экспериментальные данные, а теоретические загадки. Теория струн предлагает естественного кандидата на роль гравитона; в то же время квантовая механика говорит нам, что такая частица должна существовать и передавать гравитационное взаимодействие. В настоящее время эта теория — ведущий кандидат на роль полностью непротиворечивой теории квантовой гравитации — теории, в которую должны войти и квантовая механика, и общая теория относительности Эйнштейна и которая должна работать на всех представимых энергетических масштабах.

Физики могут использовать известные теории для надежного прогнозирования на малых расстояниях: к примеру, внутри атома, где квантовая механика играет огромную роль, а сила тяготения пренебрежимо мала. Поскольку гравитация почти не оказывает действия на частицы атомного масштаба масс, мы вполне можем учитывать только квантовую механику, а тяготение со спокойной совестью игнорировать. Кроме того, физики могут уверенно прогнозировать явления на больших расстояниях: к примеру, в пределах размеров галактик, где гравитация играет решающую роль, а квантовой механикой можно спокойно пренебречь [56] Забавно тем не менее, что применение принципа Паули для галактической темной материи из фермионов дает модельно–независимое ограничение снизу на массу частицы темной материи (фермион должен быть тяжелее, чем примерно 1 кэВ). — Прим. науч. консульт. .

Однако у нас нет теории, которая включала бы одновременно и квантовую механику, и гравитацию и работала бы на всех возможных энергиях и расстояниях. В частности, мы не знаем, как проводить расчеты на по–настоящему громадных энергиях и чрезвычайно малых расстояниях, сравнимых с энергией или длиной Планка. Поскольку на более тяжелые и энергичные частицы гравитация влияет сильнее, для частиц с массой порядка массы Планка она будет играть существенную роль. А на крохотной планковской длине будет очень заметно влияние квантовой механики.

Эта проблема ни в коем случае не снижает ценности вычислений, проведенных для наблюдаемых явлений — по крайней мере для любых явлений в БАКе, — но она означает, что теоретическая физика на данный момент неполна. Физики пока не знают, как непротиворечиво включить квантовую механику и гравитацию на чрезвычайно высоких энергиях и малых расстояниях, где влияние обоих взаимодействий примерно одинаково важно для прогнозов и ни одним из них нельзя пренебречь. Этот важный пробел в наших знаниях о мире потенциально способен указать нам путь вперед. Многие считают, что теория струн может быть решением проблемы.

Название «теория струн» происходит от фундаментальных осциллирующих струн, лежавших в основе первоначальной формулировки теории. Частицы в теории струн существуют, но возникают в результате колебаний струны. Различные частицы соответствуют различным колебаниям — примерно так же, как вибрации одной и той же скрипичной струны могут рождать разные ноты. В принципе, экспериментальным доказательством теории струн должно стать обнаружение новых частиц, соответствующих многочисленным дополнительным модам вибрации струны.

Однако в большинстве своем такие частицы, скорее всего, окажутся слишком тяжелыми, чтобы мы когда‑нибудь смогли их непосредственно наблюдать; именно поэтому так трудно экспериментально проверить, действительно ли теория струн верно описывает природу. Уравнения теории струн описывают объекты настолько невероятно крохотные и обладающие при этом такой невероятно высокой энергией, что никакой детектор, который мы в состоянии себе хотя бы вообразить, не способен их зарегистрировать. Теория определена на масштабе энергий, которые примерно в десять миллионов миллиардов раз превосходят все, что мы можем экспериментально исследовать при современном уровне техники. А ведь в настоящее время мы не знаем даже, что произойдет при увеличении энергии столкновения частиц в коллайдере всего на один порядок — в 10 раз.