Элегантная вселенная (суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории)

начинается с уравнений, описывающих движение крошечного, бесконечно тонкого куска классической нити, которые, в принципе, мог написать еще Ньютон триста лет назад. Затем эти уравнения квантуются. Иными словами, в систематическом подходе, развитом физиками в течение более 50 лет, классические уравнения преобразуются в квантово- механические, куда естественным образом включены вероятности, неопределенность, квантовые флуктуации и т.д. Фактически, в главе 12 мы видели эту процедуру в действии: в петлевых процессах (см. рис. 12.6) используются квантовые понятия (в данном случае, мгновенное квантово-механическое рождение пар виртуальных струн), а число петель определяет точность, с которой учтены квантово-механические эффекты.

Стратегия, в которой сначала используется классическое теоретическое описание, а затем включаются квантово-механические эффекты, в течение многих лет являлась в высшей степени плодотворной. В частности, именно она лежит в основе стандартной модели физики частиц. Однако возможно и, судя по последним результатам, вероятно, что подобный метод слишком консервативен для обращения с теориями такого высокого полета, как теория струн и M-теория. Причина состоит в том, что коль скоро мы осознали, что Вселенной управляют квантово-механические принципы, наши теории должны являться квантово-механическими с самого начала. Ранее нам успешно удавалось менять классическую точку зрения на квантовую, поскольку мы зондировали Вселенную недостаточно глубоко, чтобы этот грубый подход нас подводил. Однако, учитывая глубину теории струн / M-теории, мы вполне можем подойти к последней черте этой проверенной на практике стратегии.

Особые основания для этого возникают при пересмотре некоторых результатов второй революции в теории суперструн (подытоженных на рис. 12.11). Как мы обсуждали в главе 12, дуальности, лежащие в основе пяти струнных теорий, говорят о том, что физические процессы, происходящие в одной формулировке теории струн, могут быть переформулированы на языке любой из остальных. На первый взгляд, это перефразированная формулировка имеет мало общего с исходным описанием, но в этом и состоит сила дуальности: дуальность позволяет описывать один и тот же физический процесс несколькими совершенно различными способами. Эти результаты нетривиальны и удивительны, однако мы еще не упомянули об их следствии, которое, возможно, важнее всего.

Процесс в одной из пяти теорий струн, который сильно зависит от квантовых эффектов (например, включающий струнные взаимодействия, которые не могли бы произойти в мире, управляемом классическими, а не квантовыми законами), преобразованиями дуальности может быть часто сведен к процессу, слабо зависящему от квантовых эффектов с точки зрения других теорий струн (например, к процессу, характеристики которого уточняются с учетом квантовых поправок, но качественная форма которого напоминает то, что могло происходить в чисто классическом мире). Это означает, что квантовая механика тесно переплетается с симметриями дуальности, лежащими в основе теории струн / M-теории: они являются неотъемлемыми квантово-механическими симметриями, так как одно из дуальных описаний сильно зависит от квантового рассмотрения. Из этого с необходимостью следует, что полная формулировка теории струн / M-теории, которая в основе своей включает обнаруженные симметрии дуальности, не может начинаться с классического рассмотрения, а затем подвергаться квантованию, как в обычном подходе. Если начинать с классической формулировки, то симметрии дуальности неизбежно будут упущены, так как они имеют место только в случае, если квантовые эффекты принимаются во внимание. Вместо этого оказывается, что полная формулировка теории струн / M-теории должна разрушить традиционный подход и дать жизнь полновесной квантово-механической теории.

В настоящее время никто не знает, как реализовать такой подход. Однако в качестве следующего крутого поворота в нашем понимании многие теоретики предвидят переформулировку того, как квантовые принципы встраиваются в наше теоретическое описание Вселенной. Например, как сказал Кумрун Вафа:

«Я думаю, что переформулировка квантовой механики, которая разрешит многие из ее загадок, уже очень близка. Я думаю, многие разделяют точку зрения, что недавно обнаруженные дуальности указывают на новое, более геометрическое описание квантовой механики, в котором пространство, время и квантовые свойства будут неразрывно связаны друг с другом».[160]

Или, согласно Эдварду Виттену,

«я верю, что логический статус квантовой механики скоро изменится, и это будет похоже на то, как изменился логический статус гравитации, когда Эйнштейн открыл принцип эквивалентности. В случае квантовой механики такой процесс далек от завершения, однако я думаю, что люди когда-нибудь будут рассматривать нашу эпоху как период начала этой науки».[161]

С разумным оптимизмом можно предположить, что переформулировка принципов квантовой механики в рамках теории струн может привести к более мощному формализму, который позволит понять, как рождалась Вселенная и почему есть такие сущности, как пространство и время — к формализму, который продвинет нас на шаг вперед к ответу на вопрос Лейбница: почему есть «что-то», а не «ничто».

Можно ли теорию струн проверить экспериментально?

Среди многих свойств теории струн, которые мы обсудили в предыдущих главах, возможно, особенно важны три нижеследующих. Во-первых, гравитация и квантовая механика являются неотъемлемыми принципами устройства Вселенной, и поэтому любой проект единой теории обязан включать и то, и другое. В теории струн это реализуется. Во-вторых, исследования на протяжении последнего столетия показали, что существуют и другие ключевые идеи, — многие из которых были проверены экспериментально, — являющиеся центральными для нашего понимания Вселенной. Среди этих идей мы упомянем спин, существование поколений частиц материи и частиц-переносчиков взаимодействия, калибровочную симметрию, принцип эквивалентности, нарушение симметрии и суперсимметрию. Все эти идеи естественным образом вытекают из теории струн. В-третьих, в отличие от более общепринятых теорий, таких, как стандартная модель с ее 19 свободными параметрами, которые могут подгоняться для обеспечения согласия с экспериментом, в теории струн свободных параметров нет. В принципе, ее выводы должны быть совершенно определенными — они должны обеспечить однозначную проверку того, верна теория или нет.

На пути от этого общего теоретизирования  к практическому воплощению есть много препятствий. В главе 9 мы описали некоторые технические преграды, которые и сегодня стоят перед нами, например, определение вида добавочных измерений. В главах 12 и 13 мы рассмотрели эти и другие препятствия в более широком контексте необходимости точного понимания теории струн, которое, как мы видели, естественным образом приводит нас к M-теории. Без сомнения, для достижения полного понимания теории струн / M-теории потребуется очень много работы и столь же много изобретательности.

На каждом этапе исследований в теории струн физики искали и будут продолжать искать экспериментально наблюдаемые следствия теории. Мы не должны терять из виду и более отдаленные возможности для поиска подтверждений теории струн, обсужденные в главе 9. В будущем, по мере углубления нашего понимания, без сомнения будут открыты другие эффекты или свойства теории струн, и они подскажут нам новые пути для косвенного экспериментального подтверждения. Важно отметить, что главной вехой для теории струн могло бы стать подтверждение суперсимметрии после открытия частиц- суперпартнеров, рассмотренных в главе 9. Напомним, что суперсимметрия была открыта в процессе теоретического исследования теории струн, и что это — центральная часть теории. Ее экспериментальное обнаружение могло бы стать убедительным, хотя и косвенным, подтверждением теории струн. Более того, открытие частиц-суперпартнеров могло бы стимулировать новые исследования: важность подтверждения суперсимметрии не исчерпывается лишь выяснением ответа на вопрос о том, имеет ли она отношение к нашему миру. Значения масс и зарядов частиц-суперпартнеров покажут, каким конкретным образом суперсимметрия реализуется в законах природы. И у теоретиков, занимающихся струнами, будет шанс проверить, допускает ли эта реализация законченную формулировку и объяснение в рамках теории струн.