В физической науке во второй половине ХХ века в результате новых выдающихся открытий произошли события, принципиально меняющие прежние представления о Вселенной, а также возникли новые представления о строении вещества на самых глубинных уровнях материи. Оба указанные события создали проблемы, решить которые при существующем уровне научного знания вряд ли удастся в короткие сроки, они переходят в XXI век в качестве первостепенных задач физической науки.

С первой проблемой читатель может ознакомиться, , прочитав помещенную на страницах Электронного Научного Семинара (ЭНС) статью [1]. Второй проблеме посвящена книга Брайана Грина , о которой коротко речь пойдет в этом собеседовании. Книга переведена на русский язык, опубликована в России, а также помещена в Интернете в открытом доступе. Интересно, что обе упомянутые проблемы определенным образом взаимосвязаны, что дало повод Грину назвать свою книгу «Элегантная Вселенная». Но Вселенная – это приложение к основному содержанию книги, в которой Грин, не прибегая к математике, доступно излагает историю и последние достижения теории струн.

В квантовой теории в рамках стандартной модели детально разработано описание элементарных частиц вещества, размещенных по трем классам (кварки, лептоны, бозоны), а также четырех фундаментальных взаимодействий. Элементарными принято называть частицы, у которых не обнаруживается внутренняя структура, а размер меньше чем 10 в минус 15 степени сантиметра, что недоступно измерению. Поэтому в стандартной модели элементарные частицы рассматриваются как не имеющие размера точечные объекты. Основные параметры частиц – масса, заряды и спин – определены экспериментально, теория не может установить значения этих параметров расчетным путем.

Такие представления хорошо работают в микромире на всех уровнях до уровня кварков, лептонов и бозонов. Дальше пролегает граница вещественной формы материи. Но выяснилось, что не всё удается понять, ограничиваясь таким уровнем, обстоятельства вынуждают спуститься глубже. Так, например, общая теория относительности (ОТО) допускает, что в своем исходном состоянии (при рождении Вселенной) вещество было стянуто в точку, в то время, как квантовая механика утверждает, что такого не может быть, в таких обстоятельствах классические представления ОТО не работают, это область, где господствуют квантово-гравитационные процессы. На глубинных уровнях необходимо объединить квантовые и гравитационных представления. Однако гравитация выпадает из рамок квантовой теории, она не квантуется и ограничивается классическим рассмотрением в ОТО. Упорные попытки объединить квантовую механику и ОТО, предпринимавшиеся крупнейшими физиками (Зельдович, Хокинг и др.) оставались безуспешными. Стало понятным, что решить такую и другие подобные задачи, ориентируясь на представления о точечности элементарных частиц вещества, принципиально невозможно. Такое понимание сути проблемы привело к открытию теории струн.

В этом многообещающем новом научном направлении не приходится рассчитывать на помощь эксперимента. Поэтому физики превращаются в почти чистых математиков, но, оставаясь физиками, находят пути для косвенных подтверждений того, что следствия пока далекой от завершения теории струн уже позволяют получить многие принципиальные результаты, которые невозможно извлечь ни из классической физики, ни из квантовой механики.

Приведу только один пример, подчерпнутый из книги Грина, поясняющий сказанное. Принципиальное противоречие между теорией гравитации и квантовой механикой возникает на самых глубинных уровнях материи из-за того, что при размерах пространства порядка планковской длины (10–33 см) и меньше возникают сильнейшие квантовые флуктуации, своеобразный непреодолимый квантовый хаос. В таких областях невозможно существование элементарных частиц вещества вообще, и в частности, представляемых в виде безразмерных точек. Наличие области сильных квантовых флуктуаций в микромире привела к неизбежности построения новой теории, учитывающей размерность элементарных частиц – так была открыта теория струн. Струны в простейшем случае представляют собой одномерные объекты планковской длины, характеризуемы натяжением и способностью находиться в состоянии постоянных вибраций с различными гармониками, иначе называемыми колебательными модами. Но существуют варианты теории, при которых струны рассматриваются как двумерные объекты, в том числе способные свертываться в кольца.

Согласно этой теории Вселенная имеет больше измерений, чем мы наблюдаем в повседневной жизни: кроме привычного четырехмерного пространства-времени еще шесть измерений свернуты в крошечные, но сложные многообразия, способные претерпевать чудесные превращения, в которых их ткань прокалывается, рвется и затем восстанавливает сама себя. Натянутые струны вибрируют, и в зависимости от частоты вибраций струна на уровне стандартной модели предстает как одна из известных элементарных частиц. Учитывая дуализм волновых и корпускулярных свойств не следует удивляться, что волна, создаваемая колебаниями струны, в других условиях может представляться корпускулярной частицей.

Одним из частных примеров колебаний струны является мельчайший сгусток гравитационных сил, квант гравитации, называемый гравитоном. В теории струн естественным образом определенная мода колебаний струны связывается с одним свернутым пространственным измерением. Одно из таких измерений вызывает к жизни моду, колебаниям которой соответствует частица со спином 2. Это и есть гравитон. Результат сразу позволяет включить гравитацию в квантовые представления. Триумфом теории струн было естественное объединение квантовой механики и гравитации, чего никак не удавалось получить в прежних упорных попытках, исходивших из представлений точечности элементарных частиц.

Другие пространственные измерения вызывают определенные колебательные моды у струн, связанных с этим измерением, каждая такая мода соответствует электромагнитной, сильной и слабой силам. Теория суперструн создает убедительную схему для объединения не только квантовой теории с ОТО, но также объединения с ними теорий сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий в то, что не удалось сделать Эйнштейну – создать единую теорию поля.

В книге выдвигается догадка о возможной природе пространства. Гравитационное поле состоит из огромного числа мод колебаний струн, соответствующих гравитонам. Структура пространства-времени отождествляется с колоссальным числом струн, методично колеблющихся в этой моде. Это когерентное состояние струн, каждая из которых - нить в ткани пространства-времени. При существовании конфигурации струн космической структуры, в которой они еще не срослись в организованную форму, не сшились в когерентный танец колебаний, пространства и времени не существует. В инфляционной теории известно представление об исходном состоянии нарождающейся Вселенной, в котором нет понятий пространства и времени в обычном смысле. Такое нам трудно представить, но, как пишет Грин, вероятно нам придется привыкнуть к таким понятиям и осознать их смысл еще до того, как мы сможем полностью оценить теорию струн.

Гравитация связана с формой пространства и времени. Необходимо позволить теории струн создать ее собственную пространственно-временную арену, начиная с конфигурации, в которой отсутствует пространство и время. Есть надежда, что в теории эволюции Вселенной с начальной точки возникнет фон когерентных колебаний струн, порождающий стандартные понятия пространства и времени. Если будет реализован такой подход, пространство и время не явились бы определяющими элементами Вселенной, они вытекали бы из фундамента первичного состояния. Такая красивая исходная догадка о сути пространства вызывает определенные вопросы. Следует ли считать струны, как и соответствующие им частицы, веществом или нет? Если струны – это вещество, и оно образует пространство, то что такое физический вакуум и, тем более, открытая в последние годы темная энергия, которые, являясь невещественной формой материи, более убедительно представляют основу, способную создавать или не создавать пространство-время. Возникает представление, что зона квантового хаоса является зоной, занимаемой темной энергией. Именно отсюда происходит рождение вещества, начальная и последующая передача ему громадных порций энергии, иначе говоря, рождение и последующее развитие вещественной Вселенной. Вместе с рождением вещества оформляется пространственно-временной континуум.

Грин пишет: теоретик может теперь со сдержанным оптимизмом заявить, что на карту уже нанесен весь спектр логически обоснованных теорий, включающий все важные открытия прошлого века – специальную и общую теории относительности, квантовую механику, калибровочные теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, суперсимметрию, дополнительные измерения Калуцы и Клейна.

Несмотря на принципиальные успехи, вселяющие в теоретиков надежду создания «теории всего», сегодня развитие теории струн встречает серьезные трудности, преодоление которых - скорее всего дело не слишком близкого будущего.

Во-первых, наука вошла в такие глубинные уровни материи, где пока невозможно проводить экспериментальные исследования. Отсюда определенное недоверие к результатам, которые невозможно проверить прямо, и приходится прибегать к косвенным подтверждениям, не всегда способным убедить оппонентов.

Во-вторых, ни физики, ни математики занимающиеся струнами, не представляют себе вид уравнений, описывающих мир вибрирующих натянутых струн. Тем более неизвестно, насколько просто будет решать эти точные уравнения, если их удастся вывести. Пока пользуются довольно грубыми приближениями, в частности, уравнениями теории возмущений и некоторыми другими приближениями. Но получаемые приближенные решения таких уравнений не способны дать ответ на главное – возможно ли рассчитать из исходной модели струн точные значения параметров элементарных частиц, которые соответствуют конкретным модам колебаний струн. Если бы удалось на основе точных уравнений получить расчетным путем экспериментально установленные значения параметров каждой частицы, то это послужило бы серьезным подтверждением справедливости исходной модели струн.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ровинский Р.Е. Загадка темной энергии. Вопросы философии, 2004, №11, с. 103-108
2. Грин Б, Элегантная Вселенная, УРСС, М.: 2004

Статья поступила в редакцию 
6 ноября 2006 года