65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Но настоящие ученые так легко не сдаются. И в 1974 году физики-теоретики Джон Шварц и Жоэль Шерк, продолжая исследовать различные аспекты струнных теорий, пришли к удивительному открытию: одна из частиц, возникающих в теории струн, в точности совпадает с гравитоном, гипотетической частицей – переносчиком гравитационного взаимодействия[134]. Дальнейшие разработки показали, что практически все выводы Стандартной модели (все частицы, их параметры и свойства) можно получить естественным образом из теории струн. То есть теорию струн можно и нужно использовать не только для описания сильных взаимодействий, но и всех остальных. С тех пор теория струн стала претендовать на роль единой теории, способной объединить гравитацию и квантовую теорию.

Оказалось, что если фундаментальными кирпичиками материи являются не точечные частицы (как это представляет Стандартная модель), а протяженные струны, то можно избежать тех самых бесконечностей, возникающих при квантовом описании гравитации. При этом все известные частицы представляются как различные виды колебаний этих микроскопических струн, наподобие волн, бегущих по обычным струнам. Чем больше энергия колебаний струны, т. е. чем больше ее частота, тем тяжелее будет соответствующая частица. Таким образом можно воспроизвести весь «зоопарк» элементарных частиц. Важно отметить существенное отличие квантовых струн от обычных. Если мы рассмотрим струны гитары или скрипки, то они будут состоять из молекул и атомов. Их всегда можно разделить на составляющие части. А вот струны из теории струн никакой внутренней структурой не обладают, они имеют размеры порядка планковских и не состоят ни из каких «атомов». Кстати, именно из-за своих микроскопических размеров нам они кажутся точечными – ведь у нас просто нет средств, чтобы разглядеть их размеры.

Но есть у теории струн одно очень необычное следствие. Чтобы она была математически непротиворечива, размерность пространства, в котором она работает, должна быть равна десяти. А самая первая теория струн вообще требовала двадцати шести измерений. И, чтобы сократить количество измерений хотя бы до десяти, физикам пришлось добавить в теорию суперсимметрию. Кстати, поэтому ее иногда называют теорией суперструн.

Суперсимметрия – это еще один вид симметрии теории, которая устанавливает соответствие между двумя типами частиц: фермионами и бозонами, частицами вещества и частицами взаимодействия. При определенных преобразованиях они должны переходить друг в друга. Суперсимметрия предсказывает существование для каждой из частиц материи своего суперпартнера, частицы взаимодействия, и наоборот: для кварка должен существовать скварк (т. е. суперкварк), у электрона – сэлектрон, у фотона – фотино, у глюона – глюино и т. д. Суперсимметричные теории (не только теории суперструн, но и обычные квантовополевые) обладают множеством преимуществ, там более естественным образом сокращаются лишние бесконечности, и вообще они математически более элегантны. Однако суперсимметрия все еще остается всего лишь красивой теорией, поскольку до сих пор не удалось обнаружить ни одной частицы-суперпартнера, хотя на это возлагают надежды большое число физиков и ведутся активные поиски частиц-суперпартнеров.

Но давайте вернемся к теории струн и обсудим одну ее важную особенность. До этого ни одна из теорий не накладывала никаких ограничений на количество пространственных измерений: и квантовая теория поля, и общая теория относительности могут быть сформулированы в пространствах любых размерностей. А вот теория струн работает только в пространстве десяти измерений. Почему же тогда мы видим только три пространственных измерения и одно временнóе? Куда подевались остальные измерения? Чтобы объяснить, почему мы не наблюдаем остальные шесть измерений, физики придумали два основных механизма: локализация и компактификация.

Локализация предполагает, что мы с вами живем не во всем 10‐мерном пространстве теории струн, а лишь в его четырехмерном подпространстве или, как его еще называют, бране. Все струны, из которых мы состоим, при помощи определенных ограничений как бы «привязаны» своими концами к этой бране и не могут от нее оторваться. Поэтому нам кажется, что Вселенная имеет всего четыре измерения (три пространственных и одно временнóе). При этом существуют частицы, способные вылетать из нашей браны в объемлющее 10‐мерное пространство – это гравитоны, гипотетические частицы – переносчики гравитационного взаимодействия. Если ученым удастся обнаружить эти частицы, то по их поведению можно будет судить о существовании больших размерностей.