Частица на краю Вселенной

Первые теории струн описывали только бозоны и страдали, видимо, неустранимым недостатком: в теории пустое пространство оказывалось нестабильным и должно быстро испариться в облаке энергии. Чтобы исправить этот недостаток, ученые, первыми сформулировавшие теорию струн – Пьер Рамон, Андре Невё и Джон Шварц, – придумали, как добавить в теорию фермионы. В процессе работы у них в конце концов возник один из первых примеров суперсимметрии. Так родилась «теория суперструн». Уточняем для ясности: жизнеспособные модели теории струн, видимо, обязательно должны быть суперсимметричными, но суперсимметричные модели не обязательно как-либо связаны с теорией струн. Если бы мы нашли суперсимметричные частицы на БАКе, это увеличило бы шансы теории струн стать серьезной теорией, но и это не станет прямым доказательств существования струн.

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.