6.4.Суперструны.

 

Прежде всего, поясним происхождение термина «суперструна». Сравним две самых простых колебательных системы: физический маятник, представляющий собой груз на нити определенной длины, и закрепленную с двух концов струну с фиксированной длиной. Известно, что колебания физического мятника происходят со строго определенной частотой, в этом смысле маятник есть реализация одной колебательной моды (определенного типа колебаний). Известно также, что струна может колебаться с разными частотами, строго говоря, их бесконечно много, но их набор не случаен, а полностью определяется длиной струны и материалом, из которого изготовлена струна. Все возможные частоты колебаний кратны натуральным числам, начиная с некоторого минимального числа. В этом смысле струна реализует бесконечное число колебательных мод. Представим теперь, что и маятник, и струна квантовые, т.е. подчиняются законами микромира. Тогда маятник будет испытывать нулевые колебания на одной конкретной частоте, а струна – нулевые колебания на всех возможных частотах. Квантовое же поле есть континуальное обобщение колебательной системы типа маятника, только колебания происходят в каждой точке пространства-времени. Суперструна, объединяющая бесконечное число полей, является континуальным и суперсиметричным обобщением обычной струны.

Что же показало изучение многомерных геометрий, задаваемых суперструнами? Было установлено, что спектр колебаний суперструны, т.е. набор суперполей, охватываемый понятием суперструны, разделяется на два класса. Первый класс содержит конечное число суперполей, собственные частоты колебаний которых много меньше так называемой планковской частоты. Заметим, что собственные частоты колебаний после квантования поля пропорциональны массе покоя квантов полей. Так вот, суперполя первого класса соответствуют квантам с массой покоя, гораздо меньшей M_пл = 2.2 10^-5 г = 10¹⁹ ГэВ. Этот параметр, отделяющий первый класс от второго, формируется из известных фундаментальных констант: M_пл = (hc/2G)^1/2, где h – постоянная Планка, элементарный квант действия; G – гравитационная постоянная, с – скорость света.

Второй класс суперполей – компонент суперструны – содержит бесконечное число суперполей, но массы покоя соответствующих квантов обязательно превышают планковское значение M_пл. Здесь также видна аналогия с обычной струной – подобно тому, как все известные частоты колебаний пропорциональны ряду натуральных чисел, массы тяжелых суперполей образуют последовательность M_сп= nM_пл, n – натуральное число. С момента Большого Взрыва во Вселенной не было условий, в которых частицы могли бы приобрести энергию, большую планковской, поэтому суперполя второго класса сегодня не наблюдаемый, или очень трудно наблюдаемый объект. Проверить теорию суперструн можно лишь в исследованиях маломассивных суперполей первого класса. В этом случае теоретическую физику ожидал большой успех. Оказалось, что среди маломассивных мод колебаний 10-мерной суперструны после компактификации дополнительных пространственно-временных измерений присутствуют все поля, наблюдаемые сегодня в эксперименте и предсказанные теориями Великого Объединения. Есть надежда, что дальнейшее развитие теории позволит в ее рамках объяснить не только число типов наблюдаемых частиц, но и значения их масс.

Нужно особо подчеркнуть, что теория суперструн решает и проблему поколений, и проблему выделенного статуса нейтрино. Есть и специфические предсказания теории суперструн: 1) существование суперпартнеров всех известных частиц; 2) включение в теорию некоторых новых типов кварков и лептонов, не вписывающихся в стандартную схему кварк-лептонных поколений СМ; 3) появление новых типов расслоений пространства-времени (новых калибровочных полей, описывающих расслоения со спонтанно нарушенной симметрией). Поэтому, прежде всего, проверка теории суперструн сводится к проверке именно этих предсказаний. По существу эта деятельность уже ведется на современных ускорителях элементарных частиц и, несомненно, в первые десятилетия XXI века этот вопрос будет привлекать самое серьезное внимание исследователей.

Теоретическое изучение суперструн интенсивно продолжается уже в течение примерно 15 лет. За эти годы СУСИ получила статус приоритетного направления исследований, поскольку отличается беспрецедентной по широте постановкой проблем и претендует на полное объяснение самых глубинных тайн природы. Интересно отметить любопытный психологический эффект – эта теория оказывает почти завораживающее действие на профессионально подготовленных людей, которые, впрочем, оценивают ее результаты не только эмоционально.

Еще Эйнштейн впервые обратил внимание на то, что на определенных этапах развития теории вопрос «Как устроен мир?» сменяется вопросом «Почему он устроен так, а не иначе?». До начала активной работы в физике А.Эйнштейна вопрос «Как?» сводился к вопросу о действующих между объектами силах, а постановка вопроса «Почему?», согласно Эйнштейну, прежде всего, должна предполагать изучение геометрии. Сегодня ситуация несколько иная: мы понимаем, что все взаимодействия имеют геометрическую природу, так что вопрос «Как?» соответствует выбору геометрии, адекватно описывающей наблюдаемый мир. С этой точки зрения история развития суперструн и есть ответ на вопрос «Как?» – источником взаимодействий является многомерная геометрия, задаваемая бесконечным числом полей, объединенных в суперструну.

А что же теперь значит вопрос «Почему?». В поисках смысла этого вопроса теоретики обратили внимание на то, что, вообще говоря, имеется не одна теория суперструн, воспроизводящая при низких энергиях свойства наблюдаемого мира. Сначала казалось, что это разные теории, но в последние 10 лет был получен удивительный результат: все теории суперструн, воспроизводящие свойства мира при низких энергиях, эквивалентны не только физически, но и математически. По сути дела, имеется лишь одна теория суперструн, просто записываемая по-разному. Различные представления одной и той же теории переводятся друг в друга тождественными математическими преобразованиями, а объекты теории одни и те же. Что же означает ситуация, когда одни и те же объекты допускают разные представления? Это означает, что описываемая этими объектами ситуация характеризуется некоторой симметрией.

Важность вопроса о симметрии законов природы относительно различных преобразований (физический смысл которых обязательно должен быть установлен!) подтверждается всей историей теоретической физики. Например, возможность изучения законов природы в произвольной системе отсчета определяется симметрией этих законов относительно общих преобразований координат 4-мерного пространства-времени. Гравитация, как теория, и возникла как динамическая реализация этой симметрии в предположении о ее локальности. Математическая симметрия теории гравитации отражает физическое содержание принципа локальной эквивалентности гравитации и полей инерции. В бесконечно малой окрестности пространственно-временной точки гравитационное поле можно заменить силами инерции, перейдя к системе отсчета, в которой гравитационное поле формально отсутствует, но есть силы инерции. Оставаясь в этой же СО, но переходя к другой точке, мы увидим, что гравитационное поле возникает, однако в новой точке пространства-времени имеется возможность перехода и к новой системе отсчета, в которой гравитационное поле опять исчезает. Возможность проведения таких преобразований в каждой точке пространства-времени диктует совершенно определенный вид фундаментальных уравнений теории. Это и означает, что симметрия определяет физическую динамику. Еще один пример – симметрия электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий относительно выбора потенциала (калибровочная симметрия). Супергравитация объединяет пространственно-временные и калибровочные симметрии в единую суперсимметрию, соответствующую ИРС. Теория суперструн утверждает, что эта симметрия не вполне локальна, а имеет место на некоторой малой поверхности, заметаемой при движении струны в многомерном суперпространстве. Иными словами, вопрос о геометрии в современных теориях сводится к вопросу о симметриях.

И вот теперь мы обнаруживаем, что кроме пространственно-временных симметрий, теория суперструн предсказывает еще одну симметрию неясного происхождения. Это симметрия различных представлений теории суперструн, соответствующих реальному миру, относительно преобразований перехода от одного представления теории суперструн к другому. Каков смысл этой симметрии, какие свойства Мира она отражает – эти фундаментальные вопросы стоят сейчас перед, так называемой, М-теорией суперструн, но пока их решения нет. Есть лишь ощущение, что исследование этих вопросов приведет к очередному прорыву в понимании мира. Каждая симметрия связана с динамикой, симметрия задает геометрию, а геометрия определяет взаимодействие. Теперь объектом исследований в М-теории стала новая симметрия неизвестной природы и нельзя исключить, что этот тип симметрии порождает новую динамику, новые взаимосвязи в природе.

Сведения о новых динамических законах могут принципиально изменить наши взгляды на мир. Вспомним, например, о существовании 4-й проблемы СМ – динамического описания КГК в реальном времени. Столкнувшись с ней, мы признали, что имеющихся представлений о квантовой динамике недостаточно для описания реальности, нужны новые динамические принципы. Теперь это, скорее, уже вопрос эксперимента. Возможно, что теория суперструн с новой симметрией имеет отношение не только к суперструнам, но, быть может, она приведет нас к изменению представлений о динамике физических объектов и факторах, ее определяющих. Если такие факторы есть, они могут проявиться не только в области сверхвысоких, но и в области энергий, доступных уже сейчас. Не исключено, что принципы новой динамики окажутся достаточно универсальными, и их можно будет использовать и для описания других сложных структур. Эти обстоятельства объясняют то внимание, которое уделяется сегодня теории суперструн. Кстати, удалось выяснить и условия, при которых теория суперструн обеспечивает неизбежную компактификацию исходного 10-мерного многообразия до 4-мерного; компактификация стала внутренним свойством теории, а не одним из возможных решений ее уравнений.

Что же дает теория суперструн для наших представлений о вакууме? Теория недвусмысленно утверждает, что вакуум состоит из очень большого числа подсистем, свойства которых формируются на различных пространственно-временных масштабах; характерные масштабы вакуумных структур заполняют огромный энергетический диапазон – от масштаба квантовой гравитации планковской энергии 10¹⁹ ГэВ до характерной энергии КХД 0.1 ГэВ. СМ в вышеописанном виде предсказывает, что внутри этого диапазона должна быть и структура с масштабом 100 ГэВ. Теории объединения взаимодействий, следующие из теории суперструн, предсказывают, что должно существовать еще довольно большое число промежуточных структур, например, на масштабе объединения трех взаимодействий 10¹⁶ ГэВ, на масштабе нарушения суперсимметрии 10³ ГэВ. Практически наверняка и между ними могут быть структуры, соответствующие дополнительным расслоениям. Даже на примере трех вакуумных подсистем видно, как тесно взаимообусловлены их свойства. Суперструнная же теория предсказывает очень сложную иерархическую структуру вакуума с большим количеством взаимодействующих и взаимообусловливающих подсистем. Свойства нашего наблюдаемого мира формируются в результате их тщательного согласования и взаимной подстройки. Исследовать все эти взаимосвязи, указать их следствия для наблюдаемого мира, установить роль каждой подсистемы – существенная часть суперструнной программы. С этой точки зрения можно сказать, что физика, как наука, только начинается.