Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения

Все началось с правильного неправильного ответа.

Летом 1968 года в мире царил хаос: во Вьетнаме бушевала война, в Париже бунтовали студенты, а США только что потрясли убийства Мартина Лютера Кинга и Роберта Кеннеди. Габриеле Венециано, молодой флорентийский физик с парадоксальной венецианской фамилией, занимался в ЦЕРН хаосом микроскопического мира. Он хотел выяснить, что происходит, когда вы берете два адрона и сталкиваете их вместе.

Сейчас мы знаем, что адроны (например, протон или нейтрон) состоят из кварков, удерживаемых вместе неразрывными глюонными связями. Хотя Марри Гелл-Манн выдвинул идею кварков еще в начале 1960-х, в конце десятилетия ни у кого не было уверенности в их реальном существовании, а физика адронов все еще оставалась непонятной. Всякий раз, когда вы в мире элементарных частиц сталкиваете одну частицу с другой и смотрите, что происходит, вы изучаете величину, известную как амплитуда рассеяния. Это всего лишь комплексное число, величина которого говорит вам о вероятности возникновения определенного процесса. Венециано интересовался столкновениями двух пионов, в которых образуются один пион и адрон, который называется омега-гипероном (и который, разумеется, не имеет ничего общего с канторовской омегой). Физик хотел предположить математическую формулу для соответствующей амплитуды рассеяния, которая соответствовала бы экспериментальным данным того времени и математически согласовывалась как с квантовой механикой, так и с теорией относительности.

Венециано понимал, что ему нужна математическая функция с некоторыми заданными свойствами, – но что это за функция? Простых полиномов или тригонометрических функций было недостаточно – требовалось что-то посложнее. В конце концов он нашел то, что искал, в работах великого швейцарского математика Леонарда Эйлера, жившего за два столетия до этого. Отдав работу в печать, Венециано отправился в отпуск в Италию, а после возвращения через четыре недели увидел, какое волнение вызвали его результаты. Вскоре подобные формулы были предложены и для других процессов с участием адронов. На каком-то уровне это была просто математическая игра, но, когда три изобретательных физика – Йоитиро Намбу, Хольгер Бек Нильсен и Леонард Сасскинд – присмотрелись к этим уравнениям повнимательнее, они увидели: что-то колеблется.

Струны. Чуть-чуть, но вечно.

Эти трое были весьма несхожи: скромный японец Намбу, неортодоксальный датчанин Нильсен, харизматичный житель Нью-Йорка Сасскинд. Но у всех была общая творческая искра, которая позволила им разглядеть, что на самом деле происходит внутри формулы Венециано. Каждый из них независимо от других понял, что амплитуда Венециано может возникать, если считать адроны не точечными частицами, а крошечными резиновыми лентами. Сейчас мы представляем эти ленты как фундаментальные струны, вытянутые в одном направлении, вибрирующие и колеблющиеся бесконечным количеством различных способов. У Венециано такого представления не было, но он случайно наткнулся на теорию струн. Он нашел правильный неправильный ответ.

Струны настолько малы, что обычно выглядят как частицы. Только при увеличении масштаба вы замечаете, что они имеют протяженность. Они могут быть открытыми или закрытыми, идущими между двумя разными точками пространства или свернутыми в петлю. И когда вы дергаете какую-нибудь струну, она вибрирует. Тогда начинается музыка. Точно так же, как различные колебания гитарной струны могут давать разные музыкальные ноты, колебания фундаментальной струны способны имитировать эффекты различных частиц. Например, чем лихорадочнее вибрации, тем больше энергии хранится в струне. Поскольку масса и энергия эквивалентны, наиболее сильно вибрирующие струны соответствуют самым тяжелым частицам.

На заре теории струн внимание физиков стал привлекать тот спектр струн и частиц, которые они должны представлять. Проблема была с самыми легкими струнами. Самая легкая из всех – та, которую не дергали. Вы можете подумать, что у нее нулевая масса, но это не так. В предыдущей главе мы узнали об энергиях нулевой точки – энергиях, которые вы получаете от неизбежных квантовых колебаний. Для струны они оказываются отрицательными. Если вычислять последствия для самой легкой струны, получается, что масса соответствующей частицы должна быть мнимым числом, пропорциональным квадратному корню из минус одного. Частица получила название тахион – предупреждающий сигнал о нестабильности. Вызвать его к жизни – словно подтолкнуть карандаш, стоящий на конце: происходит падение. Что касается зарождающейся теории струн, то тахион нужно было изгонять.