Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной

Связь теории адронных струн с Законами Физики, и в частности с их формулировкой в терминах фейнмановских диаграмм, отнюдь не очевидна. Одним из способов визуализации теории струн является генерализация фейнмановских диаграмм путём замены точечных частиц струнами. Фейнмановские диаграммы состоят из основных элементов, которые мы уже рассматривали в главе 1: вершин и пропагаторов. Пропагаторы и вершины хороши для представления бесконечно малых точечных частиц квантовых полей. Например, вершина сама по себе является точкой, в которой сходятся траектории частиц. Если же сами частицы не являются точками, то не совсем понятно, что означает точка встречи их траекторий. Как же придать смысл пропагаторам и вершинам для струн? Когда мы имеем дело с точечной частицей, мы представляем её движение в виде линии в пространстве-времени. В каждый момент времени частица представляется точкой, но в результате движения эта точка разворачивается в кривую линию. Великий Минковский назвал траекторию движения частицы в пространстве-времени мировой линией, и этот термин прочно вошёл в науку.

Теперь представим себе, как могла бы выглядеть история струны в пространстве-времени. Возьмём замкнутую струну, не имеющую концов. В каждый конкретный момент времени такая струна будет представляться в пространстве замкнутой кривой. Представьте себе, что эту струну освещает стробоскоп. Во время первой вспышки мы увидим кольцо. При следующей вспышке мы увидим то же самое кольцо, только в другом месте. В конечном итоге мы увидим набор колец, отображающий последовательные положения струны.

Но в действительности время течёт непрерывно, и чтобы составить полную историю движения струны, нужно заполнить промежутки между её последовательными изображениями. В результате получится трубка, проходящая через пространство-время: двумерная цилиндрическая поверхность.

Размер кольца струны может изменяться со временем, ведь струна способна сжиматься, растягиваться и колебаться. Временами она может даже самопересекаться, образуя подобие восьмёрки или принимая более сложные формы. В этом случае цилиндр окажется деформированным, но в нём всё ещё можно будет узнать цилиндр.

Поверхность, заметаемую кольцом, можно было бы очень удачно назвать трубкой мира по аналогии с мировой линией. Но так случилось, что в физике прижился другой термин: мировой лист, или мировая поверхность. Но как бы мы его ни называли, этот цилиндр представляет собой пропагатор струны, который приходит на замену пропагатору точечной частицы.

Мезон, оканчивающийся двумя кварками, тоже может быть представлен в виде мирового листа, только это будет не цилиндр, а лента, имеющая два края. Вернёмся к аналогии со стробоскопом. Теперь мы будем видеть последовательность открытых струн с кварками на концах. Заполнив пространство между последовательными изображениями мезона, мы получим мировой лист в виде ленты.

Но для интересной теории, которая способна была бы описывать сложные взаимодействия сталкивающихся частиц, недостаточно одних только пропагаторов. Нужны ещё вершины, развилки дорог, в которых частицы могли бы излучать и поглощать другие частицы. И теория струн не исключение.

Вершина для открытой струны должна выглядеть как обычная дорожная развилка: в какой-то момент времени струна разрывается посередине, на образовавшихся свободных концах образуются кварк и антикварк, и вот уже две струны продолжают своё путешествие. Закрытые струны тоже могут разделяться на две. Соответствующая этому процессу диаграмма выглядит как Y-образная развилка водопроводной трубы.

Если вы будете следовать по этой диаграмме снизу вверх (от прошлого к будущему), вы увидите, как одна струна расщепляется на две, каждая из которых удаляется в своём направлении. Перевернув диаграмму, вы получите процесс слияния двух струн в одну.

Идея заключается в том, чтобы заменить обычные фейнмановские диаграммы сетью водопроводных труб, представляющих собой пропагаторы струн, и Y-образных развилок, заменяющих прежние вершины. Очень быстро теоретики поняли, что деление диаграммы на цилиндрические пропагаторы и Y-сочленения носит искусственный характер и что в действительности теория содержит мировые листы любой формы и топологии. Диаграммы могут содержать отверстия, представляющие входящие и выходящие струнноподобные глюболы, но в общем случае они могут быть любой сложности.

Этот способ представления адронов трудно связать со Стандартной моделью, теорией, основанной на обычных фейнмановских диаграммах, (то есть на точечных частицах). Современная Стандартная модель включает то, что на первый взгляд выглядит как совершенно отличная от всего предыдущего теория адронов – теория, известная под названием квантовая хромодинамика, или КХД.