На лужайке Эйнштейна

До того как физики узнали, что адроны, такие как протоны и нейтроны, состоят из кварков, результаты, полученные на ускорителях элементарных частиц в 1960-х годах, были им совершенно непонятны. В то время все более популярным в физике частиц становился подход, связанный с так называемой S-матрицей. Его идея заключалась в том, чтобы, вместо описания взаимодействия двух частиц при их столкновении в данной точке пространства-времени, учитывать только их начальные и конечные состояния. S – это первая буква слова scattering, то есть «рассеяние», которое мыслится следующим образом. Шаг первый: две частицы направляются навстречу друг другу. Шаг второй: они сталкиваются, и энергия, выделяемая при их столкновении, идет на рождение новых частиц, которые распадаются на другие частицы, которые, взаимодействуя, формируют еще больше частиц, которые находятся в окружении полчища виртуальных частиц, которые, в свою очередь, взаимодействуют с другими виртуальными частицами, которые, в свою очередь… и так далее. Шаг третий: всего несколько частиц вылетают наружу из этой каши.

S-матрица – ее ввел Уилер в 1937 году, а через несколько лет заново переоткрыл Гейзенберг – позволяет начисто пропустить второй шаг. Это таблица вероятностей: вы задаете исходные состояния соударяющихся частиц, а S-матрица дает вероятности для конечных состояний частиц, рождающихся в столкновении.

Физики, однако, не могли решить задачу построения S-матрицы, которая учитывала бы результаты адронных столкновений, наблюдаемых в экспериментах на ускорителях высоких энергий. Так было до 1968 года, пока физик Габриель Венециано не решил эту проблему: он открыл уравнение S-матрицы для адронов. Но почему это уравнение работало? Никто не знал. Что именно оно описывало?

После месяцев затворничества на чердаке и размышлений над уравнением Венециано на Сасскинда снизошло прозрение.

Уравнение описывало колебания струны.

Сасскинд – и, независимо от него, Еитиро Намбу и Хольгер Бех Нильсен – предположил, что адроны должны состоять не из точечных, лишенных размера частиц, а из крошечных одномерных струн. Сасскинд тогда сказал, что точки на концах струны можно мыслить как кварки, а саму струну – как множество точечных частиц, называемых глюонами.

Это была классная идея, но в течение нескольких лет успешного развития квантовой хромодинамики она оказалась практически забыта. Почти. Только несколько одиноких физиков, в их числе Джон Шварц и Майкл Грин, не отказались от теории струн и более десятилетия работали фактически в полном вакууме.

К сожалению, никак не складывалась математика. Колебания струн были слишком энергичны, из-за этого приходилось делать их размер слишком маленьким, и они не могли быть адронами; значения спина тоже не согласовывались с наблюдениями. Протоны и нейтроны – частицы материи, фермионы, они обладают полуцелым спином. А спин струн получался целым, как у частиц излучения. Бозонов. Не обращая внимания на то, как на них смотрят, Шварц и Грин продолжали возиться со струнами, выглядевшими безмассовыми частицами со спином 2, определенно не похожими ни на какие адроны. Они были похожи на что-то совершенно другое. На гравитоны.

Шварц и Грин поняли, что теория струн – это не теория адронов. Это была квантовая теория гравитации. Кого волновало, что теория струн не описывает адроны? Это был Святой Грааль!

У теории оставалась единственная проблема – отсутствие фермионов. Струны естественно воспроизводили бозоны, но теория струн смогла бы претендовать на теорию всего, если бы она учитывала также фермионы. Если бы струнные теоретики могли найти способ преобразования бозонов в фермионы – частиц с целым спином в частицы с полуцелым спином, то эта проблема была бы решена. К счастью, такой способ есть – суперсимметрия.

В суперсимметричных пространствах вы можете заменой системы отсчета превратить частицу с целым спином в частицу с полуцелым спином. Это была та зависимость от наблюдателя, которая заставила меня и моего отца вычеркнуть спин из списка на салфетке из лос-анджелесской блинной. Частицу, которую один наблюдатель называет бозоном, другой видит как фермион. Это означает, что вы можете взять бозоны, которые получаются в теории струн с самого начала, и посмотреть на них из других систем отсчета, получая фермионы. Теперь вы получили все силы природы и все вещество из одного простого ингредиента – крошечной вибрирующей струны. Суперсимметрия превратила теорию струн в жизнеспособную теорию всего.

Особенно полезной эту теорию сделало то, что больше не надо было разбираться с опасными бесконечностями, которые возникают, когда частицы сталкиваются в одной точке. Струны одномерны – у них есть протяженность. Они не могут взаимодействовать в единственной точке. В некотором смысле это означает, что в пространственно-временном континууме отдельных точек и нет.