Музыка Вселенной

Речь ниже пойдет о теории струн. Вообще говоря, устойчивое словосочетание «теория струн» представляется не вполне верным. Дело в том, что всякая теория в науке предполагает, что ее положения окончательно, во-первых окончательно сформулированы, а во-вторых прошли экспериментальную проверку. В теории струн же в настоящее время находится в стадии поиска точного вида уравнений и подбора начальных условий, которые бы позволили придать ей предсказательную силу. Это весьма длительный и невероятно сложный математически процесс. Можно сказать, что создание математического аппарата теории струн происходить параллельно с развитием самой концепции. Что касается экспериментальной проверки, то можно констатировать только тот факт, что теория струн не входит в противоречие с имеющимся опытом, что, конечно нельзя считать ее экспериментальным подтверждением. Для постановки прямого эксперимента, который бы подтверждал правильность предлагаемых моделей во-первых нужны энергии недостижимые в настоящее время, а во вторых, развитие математического аппарата в настоящий момент просто не позволяет делать достаточно точные предсказания для проверки. Исходя из вышесказанного, представляется правильным говорить о теории струн не как о теории, а как о гипотезе, находящейся к тому же в стадии становления.

Не смотря на это, теория струн – это та область физики, развитием которой занимаются, пожалуй, наиболее выдающиеся ученые и тратятся по меркам науки немалые ресурсы. Возникает некий парадокс – есть гипотеза, в самой формулировки которой немало белых пятен и обладающая малой предсказательной силой с одной стороны и стремление развивать именно ее из множества – с другой. Вполне очевидно, дело в том, что теория струн в состоянии предложить решения тех научных проблем, которые неразрешимы в рамках уже существующих теорий. Забегая вперед, надо сказать, что теория струн попросту обещает стать наиболее общей научной теорией, которая объединяет все взаимодействия. Для того, чтобы понять почему это так и в чем камень преткновения надо рассмотреть созданные ранее теории. Наиболее общей научной теорией, которая описывает частицы и взаимодействия микромира является Стандартная модель. Рассмотрим некоторые основные положения этой очень мощной современной теории.

Немного стандартной модели.

Стандартная модель — это современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, многократно проверенная экспериментально. Эта теория базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц. В подавляющем большинстве случаев эти предсказания подтверждаются экспериментом, иногда с исключительно высокой точностью, а те редкие случаи, когда предсказания Стандартной модели расходятся с опытом, становятся предметом жарких споров.

Рабочим инструментом Стандартной модели является квантовая теория поля — теория, приходящая на смену квантовой механике при скоростях, близких к скорости света. Ключевые объекты в ней не частицы, как в классической механике, и не «частицы-волны», как в квантовой механике, а квантовые поля: электронное, мюонное, электромагнитное, кварковое и т. д.— по одному для каждого сорта «сущностей микромира».

И вакуум, и то, что мы воспринимаем как отдельные частицы, и более сложные образования, которые нельзя свести к отдельным частицам,— всё это описывается как разные состояния полей. Когда физики употребляют слово «частица», они на самом деле имеют в виду именно эти состояния полей, а не отдельные точечные объекты.

Стандартная модель включает в себя следующие основные ингредиенты:

• Набор фундаментальных «кирпичиков» материи — шесть сортов лептонов и шесть сортов кварков. Все эти частицы являются фермионами со спином 1/2 и очень естественным образом организуются в три поколения. Многочисленные адроны — составные частицы, участвующие в сильном взаимодействии, — составлены из кварков в разных комбинациях.

• Три типа сил, действующих между фундаментальными фермионами, — электромагнитные, слабые и сильные. Слабое и электромагнитное взаимодействия являются двумя сторонами единого электрослабого взаимодействия. Сильное взаимодействие стоит отдельно, и именно оно связывает кварки в адроны.

• Все эти силы описываются на основе калибровочного принципа — они не вводятся в теорию «насильно», а словно возникают сами собой в результате требования симметричности теории относительно определенных преобразований. Отдельные виды симметричности порождают сильное и электрослабое взаимодействия.

• Несмотря на то что в самой теории имеется электрослабая симметрия, в нашем мире она самопроизвольно нарушается. Спонтанное нарушение электрослабой симметрии — необходимый элемент теории, и в рамках Стандартной модели нарушение происходит за счет хиггсовского механизма.

• Численные значения для примерно двух десятков констант: это массы фундаментальных фермионов, численные значения констант связи взаимодействий, которые характеризуют их силу, и некоторые другие величины. Все они раз и навсегда извлекаются из сравнения с опытом и при дальнейших вычислениях уже не подгоняются.

Исходя из этих соображений, в стандартной модели вводятся три поколения фундаментальных (не имеющих внутренней структуры) частиц. Такая классификация обусловлена энергиями частиц.

Кроме того, Стандартная модель — перенормируемая теория, то есть все эти элементы вводятся в нее таким самосогласованным способом, который, в принципе, позволяет проводить вычисления с нужной степенью точности. Впрочем, зачастую вычисления с желаемой степенью точностью оказываются неподъемно сложными, но это проблема не самой теории, а, скорее, наших вычислительных способностей.

Стандартная модель позволяет:

• Для электромагнитных явлений (рассеяние электронов, энергетические уровни) точность может достигать миллионных долей и даже лучше. Рекорд тут держит аномальный магнитный момент электрона, который вычислен с точностью лучше одной миллиардной.

• Многие высокоэнергетические процессы, которые протекают за счет электрослабых взаимодействий, вычисляются с точностью лучше процента.

• Хуже всего поддается расчету сильное взаимодействие при не слишком высоких энергиях. Точность расчета таких процессов сильно варьируется: в одних случаях она может достигать процентов, в других случаях разные теоретические подходы могут давать ответы, различающиеся в несколько раз.

Некоторые трудности стандартной модели.

Стандартная модель — это, во многом, описательная теория. Она не дает ответы на многие вопросы, начинающиеся с «почему»: почему частиц именно столько и именно таких? откуда взялись именно эти взаимодействия и именно с такими свойствами? зачем природе понадобилось создавать три поколения фермионов? почему численные значения параметров именно такие? Кроме того, Стандартная модель не способна описать некоторые явления, наблюдаемые в природе. В частности, в ней нет места массам нейтрино и частицам темной материи. Стандартная модель не учитывает гравитацию и неизвестно, что с этой теорией происходит на планковском масштабе энергий, когда гравитация становится чрезвычайно важной.

О гравитации и стандартной модели надо сказать еще несколько слов. Дело в том, что в настоящее время главной теорией, которая дает описание гравитационного взаимодействия, является общая теория относительности. В этой теории применяется геометрия Римана. Не вдаваясь в подробности, скажем, что в этом математическом описании пространство гладкое (подобно натянутой пленке или ткани). Говоря с точки зрения стандартной модели, пока масштабы велики по сравнению с планковской длиной м., такое допущение возможно, но приближаясь к расстояниям этого порядка все сильнее начинают себя проявлять квантовые флуктуации физического вакуума неустранимые колебания поля и в результате оказывается, что гравитационное взаимодействие попросту не поддается описанию в стандартной модели. Достаточно сказать, что в ОТО гравитационное поле представляет собой искривление пространства в то время, как в стандартной модели геометрически все три типа взаимодействий представлены, как расслоения пространства. По этой причине стандартная модель и ОТО несовместимы.

Таким образом, стандартная модель при всей своей предсказательной силе имеет целый ряд неустранимых трудностей, которые ей не позволяют претендовать на звание наиболее общей теории.