Первая часть теории струн закончилась вопросом: какие же теории в современной науке являются предтечей теории струн?

Глава 5. Квантовая теория поля

Первый значительный шаг в этом направлении был такой:

В результате серии вдохновляющих достижений они (Поль Дирак, Вольфганг Паули, Юлиан Швингер, Фриман Дайсон, Син-Итиро Томонага и Фейнман, не покладая рук пытались разработать математический аппарат, который помог бы справиться с буйством микромира) создали квантовую электродинамику.

Конечно, если посмотреть на знаменитую КЭД Фейнмана, в которой свет может двигаться всевозможными путями от одной точки к другой, то целесообразность создания этого труда представляется несколько сомнительной. Может быть, Фейнман приписал свету мысленные возможности, как, например, его выбор пути похода в магазин. Мог же он пойти в магазин различными улицами, даже мог обойти земной шар и заглянуть в свой магазин. Но все-таки он пошел одним путем и не тыркался по все возможным направлениям, как фотон перед щелью.

Следующий шаг науки был таков.

Успех квантовой электродинамики побудил других физиков в 1960-х и 1970-х гг. попытаться использовать аналогичный подход для квантово-механического описания слабого, сильного и гравитационного взаимодействий. Для слабого и сильного взаимодействий этот подход оказался чрезвычайно плодотворным. Физики сумели, по аналогии с квантовой электродинамикой, разработать квантово-полевые теории сильного и слабого взаимодействий, получившие название квантовой хромодинамики и квантовой теории электрослабых взаимодействий.

Дальше удалось объединить слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия.

…физики называют теорию трёх негравитационных взаимодействий и три семейства частиц материи стандартной теорией, или (чаще) стандартной моделью физики элементарных частиц.

Но соединить эту стандартную модель с моделью гравитации Эйнштейна пока не удалось из-за флуктуаций положения, импульса и энергии частиц. Вот как формулирует это положение дел Брайан.

Глава 5. Общая теория относительности и квантовая механика

Именно на таких малых расстояниях мы сталкиваемся с фундаментальной несовместимостью общей теории относительности и квантовой механики. Понятие гладкости геометрии пространства, являющееся основным принципом общей теории относительности, рушится под напором неистовых флуктуаций квантового мира, существующих в масштабе ультрамикроскопических расстояний. В ультрамикроскопическом масштабе основное свойство квантовой механики — соотношение неопределённостей — вступает в прямое противоречие с центральным принципом общей теории относительности — гладкой геометрической моделью пространства (и пространства-времени).

Вот примерно как выглядит пространство по мере его увеличения

Видите, какой хаос творится в природе на микроуровне. К такой поверхности и приближаться страшно и описывают ее только вероятностно.

Глава 6. Только музыка, или Суть теории суперструн

Как не странно, но именно теория струн в изложении своей сути ближе всего расположена к физической сущности природы струн. То есть физические объекты похожие на струны существуют реально в природе и в некоторых случаях эти физические, объективно существующие, элементы ведут себя так, как предлагаемые математические образы данных объектов. Вот как это описывается Брайаном:

Согласно теории струн элементарные компоненты Вселенной не являютсяточечными частицами, а представляют собой крошечные одномерные волокна, подобные бесконечно тонким, непрерывно вибрирующим резиновым лентам. Здесь важно не дать названию ввести нас в заблуждение. В отличие от обычных струн, состоящих из молекул и атомов, струны, о которых говорит теория струн, лежат глубоко в самом сердце материи. Теория струн утверждает, что именно онипредставляют собой ультрамикроскопические компоненты, из которых состоят частицы, образующие атомы. Струны, являющиеся объектом теории струн, столь малы — в среднем их размер сопоставим с планковской длиной, — что даже при изучении с помощью самого мощного оборудования они выглядят точечными.

Совершенно верные слова и верна суть дела. И это все получено из математических уравнений, а не из физики или философских рассуждений. Я не знаю, как из математических выражений может вытекать длина физического объекта, но вывод верный. У меня длинный фотон родился из биологии. Я не мог понять как одна молекула “узнает” другую молекулу, например, цитозин узнает гуанин, а потом и еще как одна молекула движется целенаправленно к другой. Меня не устраивало тепловое подталкивание одной молекулы к другой. Этот процесс двойственный и подталкивание и отталкивание равнозначные, и поэтому синтез молекул может вообще не осуществится. Это и заставило меня изучить фотон. И он получился в виде струны. Но на этом мой путь с математикой и разошелся. Я на модели моего фотона объяснял дисперсию, центробежные силы, коэффициент преломления, репликацию, транскрипцию, время и многое другое. Квантовая механика и теория относительности представились как одно целое. Они работают одно в другом без противоречий и всевозможных парадоксов.  А математика пошла по такому пути:

Однако уже простая замена точечных частиц струнами в качестве фундаментальных компонентов мироздания ведёт к далеко идущим последствиям. Первое и самое главное состоит в том, что теория струн, по-видимому, разрешает противоречие между общей теорией относительности и квантовой механикой. Как мы увидим ниже, пространственная протяжённость струн является новым ключевым звеном, позволяющим создать единую гармоничную систему, объединяющую обе теории. Во-вторых, теория струн действительно представляет объединённую теорию, поскольку в ней всё вещество и все взаимодействия обязаны своим происхождением одной фундаментальной величине — колеблющейся струне. Наконец, как будет показано более подробно в последующих главах, помимо этих блестящих достижений, теория струн ещё раз радикально изменяет наши представления о пространстве-времени.

Последуем дальше за рассказом Брайана Грина.

Краткая история теории струн

В данном пункте Брайан изложил тернистый путь рождения и начало развития теории струн. Я не буду пересказывать это своими словами, а изложу суть дела цитатами из книги, добавляя комментарии.

В 1968 г. Молодой физик-теоретик Габриэле Венециано корпел над осмыслением многочисленных экспериментально наблюдаемых характеристик сильного ядерного взаимодействия. Венециано, который в то время работал в ЦЕРНе, Европейской ускорительной лаборатории, находящейся в Женеве (Швейцария), трудился над этой проблемой в течение нескольких лет, пока однажды его не осенила блестящая догадка. К большому своему удивлению он понял, что экзотическая математическая формула, придуманная примерно за двести лет до этого знаменитым швейцарским математиком Леонардом Эйлером в чисто математических целях — так называемая бета-функция Эйлера, — похоже, способна описать одним махом все многочисленные свойства частиц, участвующих в сильном ядерном взаимодействии.

Это еще не струны, но математическое описание их появилось.

…в 1970 г., когда Йохиро Намбу из Чикагского университета, Хольгер Нильсен из института Нильса Бора и Леонард Сасскинд из Станфордского университета смогли выявить физический смысл, скрывавшийся за формулой Эйлера. Эти физики показали, что при представлении элементарных частиц маленькими колеблющимися одномерными струнами сильное взаимодействие этих частиц в точности описывается с помощью функции Эйлера. Если отрезки струн являются достаточно малыми, рассуждали эти исследователи, они по-прежнему будут выглядеть как точечные частицы, и, следовательно, не будут противоречить результатам экспериментальных наблюдений.

А вот здесь появилась струна. Правда физики она касалась только двумя параметрами, а именно наличием длины и колебаний. Ни конкретных длин этих струн (может они одной длины?), ни толщины, ни причин колебания, ни материал этой струны и возможно еще чего в этом выявлении физического смысла обнаружить не удалось. И радовало еще одно. Поскольку в это время ученые увлеченно разрабатывали стандартную модель, а она работала с точечными частицами, то им длина этих струн могла мешать. Чтобы этого не происходило, они должны были смотреть на струны с большого расстояния, дабы струны казались точками. В математике такое допускается. Если нельзя, но очень хочется, то можно.

Но в этом же году случился казус.

В начале 1970-х гг. специалисты по физике высоких энергий смогли глубже заглянуть в субатомный мир и показали, что ряд предсказаний модели, основанной на использовании струн, находится в прямом противоречии с результатами наблюдений. В то же время параллельно шло развитие квантово-полевой теории — квантовой хромодинамики, — в которой использовалась точечная модель частиц. Успехи этой теории в описании сильного взаимодействия привели к отказу от теории струн.

Что уж увидели специалисты в субатомном, мире мы не знаем. Ни в какой микроскоп ничего такого увидеть не возможно, а треки в камере Вильсона после краш-тестов могут быть любые. Да и успехи в описании сильного взаимодействия, какие-то сомнительные. Хромодинамика чуть больше привычная.

Кроме этого более глубокого заглядывания в субатомный мир, выявились и математические проблемы этой теории.

Некоторые конфигурации колеблющихся струн в этой теории имели свойства, которые напоминали свойства глюонов, что давало основание действительно считать её теорией сильного взаимодействия. Однако помимо этого в ней содержались дополнительныечастицы-переносчики взаимодействия, не имевшие никакого отношения к экспериментальным проявлениям сильного взаимодействия. В 1974 г. Шварц и Джоэль Шерк из французской Высшей технической школы сделали смелое предположение, которое превратило этот кажущийся недостаток в достоинство. Изучив странные моды колебаний струн, напоминающие частицы-переносчики, они поняли, что эти свойства удивительно точно совпадают с предполагаемыми свойствами гипотетической частицы-переносчика гравитационного взаимодействия — гравитона.

Чудесно! Все верно. Именно гравитон и является частицей-переносчиком гравитационного взаимодействия.

Хотя эти «мельчайшие частицы» гравитационного взаимодействия до сих пор так и не удалось обнаружить, теоретики могут уверенно предсказать некоторые фундаментальные свойства, которыми должны обладать эти частицы. Шерк и Шварц обнаружили, что эти характеристики в точности реализуются для некоторых мод колебаний. Основываясь на этом, они предположили, что первое пришествие теории струн закончилось неудачей из-за того, что физики чрезмерно сузили область её применения. Шерк и Шварц объявили, что теория струн — это не просто теория сильного взаимодействия, это квантовая теория, которая, помимо всего прочего, включает гравитацию.

Вот что это за некоторые фундаментальные свойства? Где о них можно узнать простому человеку? Да еще желательно в популярной форме. А еще же надо и понять какие характеристики и как обнаружили Шерк и Шварц, чтобы поверить в данное сравнение. Но по видимому это не под силу не только простому любителю, но и многим ученым. И они в это не поверили и занимались более серьезными делами. Но…

Так было до 1984 г. В своей статье, сыгравшей поворотную роль и подытожившей более чем десятилетние интенсивные исследования, которые по большей части были проигнорированы или отвергнуты большинством физиков, Грин и Шварц установили, что незначительное противоречие с квантовой теорией, которым страдала теория струн, может быть разрешено. Более того, они показали, что полученная в результате теория обладает достаточной широтой, чтобы охватить все четыре вида взаимодействий и все виды материи. Весть об этом результате распространилась по всему физическому сообществу: сотни специалистов по физике элементарных частиц прекращали работу над своими проектами, чтобы принять участие в штурме, который казался последней теоретической битвой в многовековом наступлении на глубочайшие основы мироздания.

Слепцов подвели к слону. Кто внимательно читал данную статью или книгу Брайана сначала, тот заметил, что перед учеными стояла задача создать общую теорию всего. Она должна объединить сильное взаимодействие, слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и гравитационное взаимодействие. Первые три взаимодействия относятся к квантовому, как полагают ученые, уровню.

Сильное взаимодействие проявляется в протонах. Они состоят из кварков, и эти кварки содержатся в одном целом благодаря глюонам (клей). Кварки взаимодействуют друг с другом при помощи глюонов, они переносят энергию от одного кварка к другому.

Слабое взаимодействие проявляется при бета-распаде и энергия здесь переносится при помощи калибровочных бозонов. Тут следует особо проникнуться уважением к науке: именно калибровочных бозонов. Не бозонов Хиггса или каких-то других бозонов, а калибровочных бозонов.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется фотонами. Это свет, электромоторы, радио и тому подобное.  И теперь благодаря Грину и Шварцу появилась частица для гравитационного взаимодействия.

Гравитационное взаимодействие осуществляется гравитонами. Это мелкие частицы-переносчики в виде струны. И это совершенно верно.

Как видим, все четыре взаимодействия осуществляются одинаково. Везде есть частицы, и они обмениваются энергией при помощи частиц-посредников.

Вот множество ученых и бросилось на поиск математической схемы, объединяющей эти четыре взаимодействия. Может быть, у них  что-нибудь и получилось бы толковое, если бы они объединяли именно эти формы взаимодействий. Все четыре взаимодействия носят квантовый характер, что верно. Но они не в состоянии отрешится от попытки объединения ОТО и квантовой механики. А ОТО гласит, что гравитация - это искривление пространства-времени. Здесь нет места гравитону. Двигаться по какому-то мифическому наклону и двигаться под действием гравитонов даже вопреки наклону – это вещи не совместимы. Хотя горячие головы могут сказать, что гравитация обладает дуализмом. Но верится, что до этого дело не дойдет. Хватит нам одного дуализма и суперпозиции.  Но как же дело развивалось дальше.

Период с 1984 по 1986 гг. теперь известен как «первая революция в теории суперструн». В течение этого периода физиками всего мира было написано более тысячи статей по теории струн. Эти работы окончательно продемонстрировали, что многочисленные свойства стандартной модели, открытые в течение десятилетий кропотливых исследований, естественным образом вытекаютиз величественной системы теории струн. … Более того, для многих из этих свойств, как мы увидим ниже, теория струн даёт гораздо более полное и удовлетворительное описание, чем стандартная модель. Эти достижения убедили многих физиков, что теория струн способна выполнить свои обещания и стать окончательной объединяющей теорией.

Вот тут бы и задуматься ученым: что с чем они хотят объединить? Стандартную модель с моделью гравитона или стандартную модель с моделью искривленного пространства-времени?

Возможно, по этой причине ученые могли получать только приближенные уравнения, которые было очень сложно решать, да к тому же решения были возможны только в приближенном виде. Энтузиазм многих ученых снова угас. Стагнация в разработке теории струн продолжалась до 1995 года.

Конец застою положил захватывающий дух доклад, сделанным Эдвардом Виттеном в 1995 г. на конференции по теории струн в университете Южной Калифорнии — доклад, который ошеломил аудиторию, до отказа заполненную ведущими физиками мира. В нём он обнародовал план следующего этапа исследований, положив тем самым начало «второй революции в теории суперструн». Сейчас специалисты по теории струн энергично работают над новыми методами, которые обещают преодолеть встреченные препятствия.

Интересно, какие же идеи высказал Виттен, что они ошеломили столько мудрых физиков? Это мы попытаемся понять дальше.

В этой и в нескольких последующих главах мы опишем открытия теории струн, явившиеся результатом первой революции и поздних исследований, выполненных до начала второй революции. Время от времени мы будем упоминать достижения, сделанные в ходе второй революции; подробное описание этих новейших достижений будет приведено в главах 12 и 13.

А сейчас последуем за повествованием книги и попытаемся понять, какие же открытия следуют из теории струн.