Теория струн и эксперимент

Если типичная струна имеет крохотный размер, как на рис. 4.2, то для обнаружения её протяжённой структуры — той самой характеристики, которая отличает её от частицы — потребуется ускоритель в миллионы миллиардов раз мощнее, чем Большой адронный коллайдер. При современных технологиях такой ускоритель будет примерно с галактику и будет потреблять каждую секунду столько энергии, сколько потратит весь мир за тысячелетие. Предполагая, что выдающийся технологический прорыв не предвидится, такая ситуация означает, что на сравнительно малых энергиях, достижимых на имеющихся ускорителях, струны неотличимы от точечных частиц. Такова экспериментальная версия упомянутого ранее теоретического факта: на низких энергиях теория струн сводится к квантовой теории поля. Таким образом, даже если теория струн и является правильной фундаментальной теорией, в широком диапазоне доступных экспериментов она будет проявляться как квантовая теория поля.

Это уже хорошо. Хотя квантовая теория поля не может объединить общую теорию относительности и квантовую механику, не может предсказать фундаментальные свойства частиц в природе, но она умеет объяснять великое множество экспериментальных данных. Измеренные на эксперименте свойства частиц берутся в качестве исходных данных (это определяет состав полей и кривые энергии), после чего с помощью математического аппарата теории предсказывается поведение этих частиц в других экспериментах, в основном на ускорителях. Получаемые результаты в высшей степени достоверны; именно по этой причине поколения учёных, занимающихся физикой частиц, используют квантовую теорию поля в качестве основного метода.

Выбор полей и кривых энергий в квантовой теории поля равносилен выбору формы дополнительных измерений в теории струн. Одна из проблем в теории струн состоит в том, что математика, которая связывает свойства частиц (таких как массы и заряды) с формой дополнительных измерений, в высшей степени нетривиальна. Поэтому работа в обратном направлении очень трудна — использование экспериментальных данных для определения конкретной формы дополнительных измерений, аналогично тому как такие данные определяют состав полей и кривых энергий в квантовой теории поля. Возможно, что однажды удача улыбнётся теоретикам и они смогут из экспериментальных данных определить форму дополнительных измерений в теории струн, но пока этого не произошло.

Поэтому в обозримом будущем наиболее обещающим способом связи теории струн с экспериментальными данными будут предсказания, которые, конечно, можно объяснить с помощью более традиционных методов, но для которых гораздо более естественное и убедительное объяснение возникает из теории струн. Конечно, можно теоретизировать насчёт того, что я печатаю этот текст пальцами ног, но гораздо более естественная и убедительная гипотеза — и я оцениваю её как правильную, — что я всё-таки печатаю пальцами рук. Аналогичные рассуждения применительно к экспериментам, собранным в табл. 4.1, вполне могут служить косвенными подтверждениями правильности теории струн.

Таблица 4.1. Эксперименты и наблюдения, способные установить связь между экспериментальными данными и теорией струн

Эксперимент/наблюденияОбъяснениеСуперсимметрияВ теории суперструн приставка «супер» отсылает к суперсимметрии — математической конструкции с чёткими следствиями: у каждой известной частицы должен иметься партнёр с такими же электрическими и сильными ядерными свойствами. Теоретики полагают, что эти частицы до сих пор не были обнаружены, потому что они тяжелее, чем их известные партнёры, и находятся вне досягаемости современных ускорителей. Энергии Большого адронного коллайдера может хватить для их рождения, поэтому многие считают, что мы, возможно, находимся на пороге открытия суперсимметричного характера природы.Дополнительные измерения и гравитацияПоскольку пространство является средой для гравитации, увеличение числа измерений расширяет область действия гравитации. Подобно постепенному растворению капли чернил в стакане с водой, сила гравитации размывается при распространении сквозь дополнительные измерения — что, возможно, объясняет слабость гравитационного взаимодействия (когда вы поднимаете чашку с кофе, сила ваших мышц преодолевает гравитационное притяжение всей Земли). Если нам удастся измерить силу гравитации на расстояниях, меньших чем размер дополнительных измерений, это позволит ухватить её прежде, чем она растворится во всём пространстве, и, следовательно, есть шанс обнаружить более сильное притяжение. На сегодняшний день, измерения на расстояниях примерно в один микрон (10−6 метра) не обнаружили никаких отклонений от предсказаний, сделанных для мира с тремя пространственными измерениями. Наличие отклонений при уменьшении расстояния даст убедительное доказательство существования дополнительных измерений.Дополнительные измерения и потеря энергииЕсли дополнительные измерения существуют, но их размер меньше микрона, то они недоступны для экспериментов, напрямую измеряющих силу гравитации. Однако Большой адронный коллайдер предлагает другие способы их обнаружения. Осколки, возникающие при лобовых столкновениях быстрых протонов, могут выпасть из привычных трёх больших измерений и оказаться в других измерениях (где по причинам, которые мы рассмотрим позже, эти осколки, возможно, станут частицами гравитации, или гравитонами). В таком процессе осколки уносят с собой энергию, в результате чего наши детекторы после столкновения должны зафиксировать потерю энергии. Такая потеря энергии может убедительно свидетельствовать в пользу существования дополнительных измерений.Дополнительные измерения и чёрные мини-дырыОбычно считается, что чёрные дыры — это остатки массивных звёзд, истративших своё ядерное топливо и схлопнувшихся под собственным весом, однако это слишком упрощённый подход. При достаточном сжатии стать чёрной дырой может всё, что угодно. Более того, если есть дополнительные измерения, то гравитация усиливается при действии на малых расстояниях, поэтому создать чёрную дыру будет легче, так как сильное гравитационное поле приводит к тому, что для создания того же самого гравитационного притяжения необходимо меньшее давление. Даже если столкнуть всего два протона на скоростях, достижимых на Большом адронном коллайдере, то можно накачать достаточно малый объём пространства таким количеством энергии, что запустится механизм образования чёрных дыр. Возникнет лишь слабое подобие чёрной дыры, но оно будет безошибочно узнаваемо. Математический анализ, основанный на работах Стивена Хокинга, показывает, что крошечные чёрные дыры быстро распадаются на более лёгкие частицы, следы которых могут быть обнаружены детекторами коллайдера.Гравитационные волныХотя размер струны очень мал, но если найдётся способ как-то её ухватить, её можно растянуть до больших размеров. Для этого потребуется приложить силу более чем 1020 тонн, но растяжение струны — это всего лишь вопрос приложения достаточной энергии. Теоретики обнаружили экзотические ситуации, когда энергия подобного растяжения рождается в астрофизических процессах, порождающих длинные струны, растянутые в пространстве. Их можно обнаружить, даже несмотря на очень большую отдалённость. Вычисления показывают, что при колебании длинной струны в пространстве-времени порождаются гравитационные волны — весьма специального характера, поэтому они могут дать ясный наблюдательный знак. В течение следующих нескольких десятилетий, если не раньше, высокочувствительные детекторы, расположенные на Земле и, при условии достаточного финансирования, на орбите, могут обнаружить эти волны.Реликтовое излучениеРеликтовое излучение уже продемонстрировало свои возможности в тестировании квантовой физики: экспериментально зафиксированные температурные колебания реликтового излучения возникают из квантовых флуктуаций, растянутых при пространственном расширении. (Вспомните пример со словами, написанными крохотными буквами на поверхности воздушного шарика, которые проявляются по мере надувания шарика.) Расширение пространства при инфляции так велико, что даже небольшие следы, оставленные струнами, могут растянуться настолько, чтобы их можно было обнаружить — возможно, это сделает спутник «Планк» Европейского космического агентства. Успех или неудача зависит от деталей поведения струн в ранней Вселенной — что за сообщение было оставлено струнами на поверхности раздувающегося вселенского шарика. Есть много разных идей и вычислений. Теоретики ждут, что скажут наблюдательные данные.Возможные эксперименты ранжируются от экспериментов по физике частиц на Большом адронном коллайдере (поиск суперсимметричных частиц и указаний на дополнительные измерения) до настольных экспериментов (измерение силы гравитационного притяжения на расстояниях одной миллионной доли метра и даже меньше) и астрономических наблюдений (поиск определённых типов гравитационных волн и малых температурных колебаний реликтового излучения). В табл. 4.1 объясняются разные подходы, но общая оценка легко прослеживается. Положительный исход любого из этих экспериментов может быть объяснён без привлечения теории струн. Например, хотя математическое описание суперсимметрии (см. первую строчку в табл. 4.1) изначально было открыто в теоретических исследованиях по теории струн, с тех пор оно также используется в неструнных теоретических моделях. Таким образом, открытие суперсимметричных частиц станет подтверждением теории струн, но не бесспорным доказательством. Аналогично, хотя дополнительные пространственные измерения естественным образом возникают в теории струн, они также возникают и в неструнных моделях (мы помним, что Калуца, предлагая свою идею, совсем не думал о теории струн). Поэтому самой благоприятной следует рассматривать такую ситуацию, где будет получен ряд положительных результатов из тех, что приведены в табл. 4.1, которые подтвердят правильность теории в разных её проявлениях. И как в примере с печатью текста пальцами ног, неструнные объяснения окажутся надуманными перед лицом целого набора положительных результатов.

Отрицательные результаты экспериментов гораздо менее полезны. Провал в поисках суперсимметричных частиц может означать, что они не существуют или что они слишком тяжёлые, чтобы быть обнаруженными даже на Большом адронном коллайдере; провал в поисках свидетельств существования дополнительных измерений может означать, что они не существуют или что они слишком малы, чтобы быть доступными нашим технологиям; провал в поисках микроскопических чёрных дыр может означать, что гравитация не становится сильнее на малых расстояниях, или что наши ускорители недостаточно мощные для более глубокого проникновения в микромир; провал в поисках струнных проявлений в наблюдениях гравитационных волн или реликтового излучения может означать неправильность теории струн, или что эти проявления слишком малы, чтобы быть измеренным на современном оборудовании.

На сегодняшний день наиболее вероятно, что даже самые многообещающие положительные результаты экспериментов не смогут определённо подтвердить правоту теории струн, а отрицательные результаты, скорее всего, не смогут её опровергнуть.46 При этом надо не ошибиться. Если мы обнаружим доказательства существования дополнительных измерений, суперсимметрии, чёрных мини-дыр или любого из других возможных проявлений теории струн, это станет важной вехой в поиске единой теории. Это придаст нам уверенность, что избранная нами математическая дорога ведёт в правильном направлении.