02.06.2026. - Теория струн вытекает из основных знаний о Вселенной

Теория струн вытекает из основных знаний о Вселенной

Если бы вы могли взять яблоко и разломать его на всё меньшие и меньшие части, вы бы обнаружили молекулы, затем атомы, а затем субатомные частицы, такие как протоны, кварки и глюоны, из которых они состоят. Вам может показаться, что вы достигли дна, но, по мнению теоретиков струн, если вы продолжите двигаться к ещё меньшим масштабам — примерно в миллиард миллиардов раз меньше протона — вы обнаружите больше: крошечные вибрирующие струны.

Разработанная в 1960-х годах, теория струн предполагает, что всё во Вселенной состоит из невидимых струн. Теория возникла как возможное решение проблемы «квантовой гравитации», стремления согласовать квантовую механику, описывающую наш мир в мельчайших масштабах, с общей теорией относительности, которая объясняет, как работает наша Вселенная в самых больших масштабах (и включает в себя гравитацию). Исследователи пытались согласовать две теории — например, задаваясь вопросом о поведении гравитации в квантовом мире, — но их уравнения выходят из-под контроля, или, говоря математическим языком, стремятся к бесконечности.

Теория струн — это математическое решение, которое укрощает неуправляемые бесконечности. Она утверждает, что все частицы, включая гравитон — гипотетическую частицу, которая, как считается, передает силу гравитации, — порождаются очень малыми вибрирующими струнами. Математика, лежащая в основе теории струн, требует, чтобы струны вибрировали как минимум в 10 измерениях, а не в четырех, в которых мы живем (три для пространства и одно для времени), что является одной из причин, по которой некоторые ученые не убеждены в правильности теории струн. Но, пожалуй, самая большая проблема для этой теории — это сверхвысокие энергии, необходимые для ее проверки: для такого эксперимента потребовался бы ускоритель частиц размером с галактику.

Что же делать физику? Один из способов исследования теории — это использование «бутстрап-подхода», при котором исследователи исходят из определённых предположений, которые, по их мнению, верны относительно Вселенной, а затем смотрят, какие законы возникают из этих предположений. В новой статье под названием «Струны из почти ничего», принятой к публикации в журнале Physical Review Letters, исследователи из Калифорнийского технологического института и их коллеги из Нью-Йоркского университета и Института физики высоких энергий в Барселоне сделали именно это. Исходя из нескольких основных предположений о том, как частицы должны рассеиваться друг от друга при очень высоких энергиях, они вывели элементы теории струн.

«Струны просто выпали сами собой», — говорит Клиффорд Ченг, профессор теоретической физики и директор Форума Лейнвебера по теоретической физике в Калифорнийском технологическом институте. «Мы вообще не исходили ни из каких предположений о струнах, но затем решение содержало основные признаки струнной теории».

Хотя эта работа не является экспериментальным доказательством теории струн, она «очень показательна с теоретической точки зрения, поскольку общие предположения могли бы привести к бесконечному числу решений, но они привели только к одному», — говорит Ченг.

Этот подход, основанный на бутстреп-анализе, помогает физикам сосредоточиться на определяющих характеристиках теории струн, объясняет Хироси Оогури, профессор теоретической физики и математики имени Фреда Кавли в Калифорнийском технологическом институте и заведующий кафедрой физики, математики и астрономии имени Кента и Джойс Креса, который является теоретиком струн, хотя и не является автором статьи. «Это также помогает исследователям предлагать альтернативные теории. Если теория струн неверна, и мы хотим найти другую модель, то какие основные предположения нам нужно исключить?» — говорит Оогури.

Частицы в гармонии

Одной из ключевых характеристик струн, которая «выпала» из анализа команды, является так называемый струнный спектр. Спектр, открытый итальянским физиком-теоретиком Габриэле Венециано из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в конце 1960-х годов, представляет собой бесконечную башню, или лестницу, частиц, в которой массы и спины увеличиваются дискретными шагами.

«В то время, когда работал Венециано, на ускорителях частиц наблюдался этот поток мусора, выходящий из столкновений, частиц разной массы. Это было захватывающе, и никто не имел ни малейшего представления о происходящем. Венециано записал функцию, описывающую все массы, открыв бесконечную башню частиц», — говорит Ченг.

Другие исследователи позже пришли к выводу, что башня частиц Венециано соответствует гармоническому ряду вибрирующей струны. Если вы дернете струну скрипки, вы услышите ряд нот, представляющих основную ноту и обертоны, которые следуют аналогичному образцу.

Теория струн зародилась, но только в 1974 году Джон Шварц из Калифорнийского технологического института, заслуженный профессор теоретической физики имени Гарольда Брауна, и его коллега Жоэль Шерк, французский физик, поняли, что теория включает в себя гравитацию, тем самым установив первую связь между теорией струн и общей теорией относительности.

«Как и все физики-частицы в ту эпоху, мы не интересовались гравитацией. Теории струн хорошо себя ведут при очень высоких энергиях, в отличие от общей теории относительности Эйнштейна, которая существует как приближение низких энергий. Поэтому, хотя многое еще не было понято, мы были очень рады тому, что какая-то версия теории струн может обеспечить единую квантовую теорию всего», — говорит Шварц.

В теории струн различные колебательные моды крошечных струн порождают различные частицы. Например, фотон возникает из открытой струны, вибрирующей в своей основной моде, в то время как гравитон, как считается, возникает из основной колебательной моды замкнутой струны.

С нуля

В новом исследовании ученые рассмотрели так называемые амплитуды рассеяния, которые описывают вероятности возможных исходов столкновений частиц. Когда исследователи формулируют амплитуды рассеяния при все более высоких энергиях, используя инструменты общей теории относительности, возникают неуправляемые бесконечности. В математическом плане это означает, что результаты не имеют смысла и не могут быть правильными.

«Если взять общую теорию относительности и провести рассеяние при очень высоких энергиях на так называемом планковском масштабе — то есть примерно на 19 порядков больше массы протона — вы получите результат, который не имеет смысла. Все полностью рушится», — говорит Ченг.

Вот где проявляется истинная сила теории струн. Это предотвращает бесконечное стремление к математическим вычислениям несколькими способами, один из которых называется ультрамягкостью, благодаря которой струны смягчают или размывают взаимодействия при чрезвычайно высоких энергиях, делая их более управляемыми математически.

«В рамках теории струн, по мере увеличения передачи энергии между частицами, вы увидите резкое падение вероятности рассеяния частиц. Как будто частицы даже не хотят рассеиваться друг от друга, а свободно проходят мимо», — говорит Ченг. «Амплитуды рассеяния не стремятся к бесконечности. Всё происходит более плавно».

Исследователи взяли это свойство ультрамягкости поведения частиц за одно из своих исходных предположений. Они ничего не предполагали о струнах, но считали верным, что частицы имеют меньшую вероятность рассеяния при высоких энергиях — то, что необходимо для обуздания нежелательных бесконечностей в теориях квантовой гравитации.

Кроме того, они сделали ещё одно предположение о поведении частиц, называемое «минимальными нулями», которое является более сложным. «Примечательно, что для обеспечения согласованности требуется, чтобы амплитуды рассеяния не только взаимодействовали, но и не взаимодействовали в специальных кинематических точках, называемых «нулями». Предположение о «минимальном количестве нулей» требует наименьшего числа таких точек исчезновения, математически допустимых уравнениями», — говорит Ченг.

Начиная с математических выражений, описывающих эти два предположения, исследователи строго доказали, что единственные математические функции, удовлетворяющие этим предположениям, представляют собой определяющие признаки теории струн. Эти признаки включают полный спектр масс и спинов частиц, как определено теорией струн, а также их детальные силы взаимодействия.

«Точные детали теории струн возникли автоматически, включая бесконечную башню массивных вращающихся частиц, которые образуют «гармоники» струны, которыми славится эта теория», — говорит соавтор Грант Н. Реммен (доктор философии, 2017 г.), научный сотрудник имени Джеймса Артура в Нью-Йоркском университете.

Используемый исследователями метод бутстрапа чем-то похож на решение головоломки судоку: вы начинаете всего с нескольких правил размещения чисел в сетке и, исходя из этих основных правил, ищете единственное уникальное решение головоломки.

«Глубокая ирония заключается в том, что эта идея самоподдерживающегося поиска, которую мы сейчас развиваем с помощью современных инструментов и современных идей, очень устарела. Это старая идея», — объясняет Ченг. «Первоначальное открытие спектра Венециано и работа Джона Шварца использовали аналогичный подход. Они не начинали с моделей теории струн, а решения вытекали из основных принципов».

Ченг также указывает на Стивена Фраутши из Калифорнийского технологического института как на пионера подхода самоподдерживающегося поиска. Фраутши, заслуженный профессор теоретической физики Калифорнийского технологического института, и его коллега, покойный Джеффри Чу, ранее работавший в Калифорнийском университете в Беркли, первыми разработали теорию самоподдерживающегося поиска в физике элементарных частиц в 1960-х годах (Чу придумал название, взяв за основу выражение «подтягиваться за собственные ремни»). Фраутши и Чу обнаружили ранние свидетельства существования бесконечной башни частиц, позже открытой Венециано.

«Идея самоподдержания устарела, но теперь такие люди, как Клифф, возрождают и модернизируют её», — говорит Оогури. «Теперь мы лучше понимаем основные предположения, которые можем сделать, а также имеем более эффективные методы для преобразования этих предположений в свойства амплитуд рассеяния и других наблюдаемых величин».

Источник