Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной - Леонард Сасскинд

Процесс открытия теории струн, который в определённом смысле все ещё продолжается, изобиловал поворотами судьбы, предательствами фортуны и интуитивными озарениями. Моё собственное участие в нём началось где-то в конце 1968 или в начале 1969 года. Я начал уставать от проблем элементарных частиц; особенно досаждали мне адроны, концепция которых, казалось, мало что может предложить в плане новых глубоких принципов. Я нашёл метод S-матрицы скучным и начинал подумывать о том, чтобы заняться соединением квантовой механики и гравитации. Соединение общей теории относительности с принципами квантовой механики казалось гораздо более интересной задачей, несмотря на то что все имевшиеся экспериментальные данные касались исключительно адронов. Но как раз в это время меня посетил в Нью-Йорке мой израильский друг Гектор Рубинштейн, который был чрезвычайно воодушевлён работой Венециано.

Сначала я не особо заинтересовался. Адроны были тем, о чём я хотел забыть, но из вежливости я согласился выслушать Гектора.

Гектор был настолько возбуждён, объясняя мне идеи итальянца, что я не вполне улавливал детали. Насколько я мог понять, Венециано придумал формулу для описания того, что произойдёт при столкновении двух адронов. Наконец, Гектор записал уравнение Венециано на доске в моем офисе. Это был финальный аккорд. Уравнение оказалось чрезвычайно простым и имело некоторые особенности, показавшиеся мне подозрительно знакомыми. Я, помню, спросил Гектора, не представляет ли это уравнение описание какой-то очень простой квантово-механической системы, потому что оно выглядело так, будто бы имело отношение к гармоническим осцилляторам. Гектор не знал, какая физическая картина могла бы стоять за этим уравнением, поэтому я просто записал его на листке бумаги, чтобы не забыть.

Я был достаточно заинтригован, чтобы отложить размышления о квантовой гравитации и дать адронам ещё один шанс. Как оказалось, мне не суждено было вернуться к гравитации в течение последующих лет. Я несколько месяцев обдумывал это уравнение, прежде чем увидел то, что стояло за ним в действительности.

Термин гармонический осциллятор применяется физиками ко всему, что способно вибрировать, дрожать, колебаться или вообще совершать периодические движения туда-сюда. Ребёнок, качающийся на качелях, и грузик, колеблющийся на пружине, являются примерами типичных гармонических осцилляторов. Вибрирующая скрипичная струна или даже воздух, через который проходит звуковая волна, – это тоже гармонические осцилляторы. Если колеблющаяся система очень мала, например если это атом или молекула, то её поведение определяется законами квантовой механики, и энергия такого осциллятора может изменяться только дискретными порциями. Я упомянул гармонический осциллятор в беседе с Гектором, потому что уравнение Венециано напомнило мне о математических свойствах квантово-механического гармонического осциллятора. Я представил себе адрон в виде двух грузиков, соединённых пружиной, совершающих гармонические колебания, сближаясь и удаляясь. Я играл с запретным плодом, пытаясь изобразить внутреннее устройство элементарной частицы, и отдавал себе в этом отчёт.

Танталовы муки, которые я испытывал от ощущения близости ответа и невозможности его ухватить, сводили меня с ума. Я испробовал все варианты квантово-механических осцилляторов, пытаясь подобрать такой, который вписался бы в уравнение Венециано. Мне удалось написать уравнения, очень похожие на уравнения Венециано, описывающие разные варианты моделей грузиков на пружинках, но все они не годились. В течение этого периода я потратил много часов собственного времени, работая на чердаке своего дома. Возвращаясь оттуда усталым и раздражительным, я ругался с женой и игнорировал детей. Мне не удавалось выкинуть это уравнение из головы даже во время обеда. И вдруг, в один из вечеров, без всякой уважительной причины на меня на чердаке снизошло озарение. Я не знаю, что вызвало к жизни эту мысль: ещё минуту назад я представлял себе пружину и вдруг увидел вместо неё эластичную струну, натянутую между двумя кварками и имеющую много различных мод колебаний. В одно мгновение я понял, что весь трюк состоит в том, чтобы заменить математическую пружину непрерывной натянутой струной. На самом деле слово струна тогда не пришло мне на ум. Я подумал о резиновом кольце. Если разрезать резиновое кольцо, оно превратится в резинку с двумя свободными концами. На каждый из концов я мысленно поместил по кварку, точнее, кварк на один конец и анти-кварк на другой.

Я быстро сделал несколько расчётов в своей записной книжке для проверки идеи, хотя уже знал, что это будет работать. Это было потрясающе просто. Уравнение Венециано для S-матрицы оказалось точным описанием столкновения двух резинок. Почему эта мысль раньше не приходила мне в голову?

Ничто не приносит такую радость, как новые открытия. Это случается нечасто даже у величайших физиков. Вы говорите себе: «Сейчас я – единственный человек на планете, который это знает. Скоро об этом узнает и остальная часть мира, но на данный момент я – единственный». Я был молод и неизвестен и жаждал славы. Но я не был единственным.

Примерно в то же самое время один физик из Чикаго проделал те же самые вычисления. Ёитиро Намбу был намного старше меня и уже давно являлся одним из самых выдающихся физиков в мире. Он родился в Японии и пришёл в Чикагский университет молодым физиком сразу после Второй мировой войны. Намбу был звездой и обладал репутацией человека, способного разглядеть некоторые вещи намного раньше всех остальных. Позже я узнал, что ещё один физик в Дании обдумывал весьма схожие идеи. Я не буду отрицать, что был разочарован, узнав, что я не одинок в своей «резиновой» теории, но мысль о том, что я оказался в одной компании с Великим Намбу, тешила моё самолюбие.

Современная теория струн занимается недостижимой унификацией квантовой механики и гравитации, о которую тщетно физики бились своей коллективной головой на протяжении большей части XX века. Другими словами, это теория о том, что представляет собой мир в сказочно крошечном масштабе планковских размеров – 10–33 сантиметра. Как я уже рассказал, она началась с гораздо более скромной задачи – описания внутренней структуры адронов. В следующей главе мы увидим, как теория струн переродилась в гораздо более глубокую фундаментальную теорию, но давайте начнём с её более ранней инкарнации.

Адроны являются очень маленькими объектами, они примерно в сто тысяч раз меньше атомов. Диаметр адрона составляет порядка 10–13 сантиметра. Для того чтобы удержать кварки на таких малых расстояниях, требуются колоссальные силы. Адронные струны – резинки в моём воображении – хотя и микроскопически малы, тем не менее невероятно прочны. Если бы было возможно прикрепить один конец мезона (одного из типов адронов) к автомобилю, а другой к подъёмному крану, то адронная струна, удерживающая кварки в мезоне, легко выдержала бы вес автомобиля. Относительно масштабов, достижимых в сегодняшних экспериментах, адронные струны не слишком малы. Современные ускорители позволяют исследовать материю на в сто, а то и в тысячу раз меньших расстояниях. Просто для сравнения позвольте мне забежать вперёд паровоза и показать, что представляет собой прочность струны в её современной инкарнации. Для того чтобы удерживать частицы на расстоянии порядка планковской длины, струна должна быть примерно в 1040 раз сильнее, чем адронная струна. Одна-единственная струна была бы способна выдержать вес всей нашей Галактики, если мы могли бы каким-то образом сумели сосредоточить всю массу Галактики вблизи поверхности Земли.

Все адроны подразделяются на три семейства: барионы, мезоны и глюболы. Наиболее известными адронами являются нуклоны – обычные протоны и нейтроны. Они принадлежат к первому семейству – барионам.[71] Все барионы состоят из трёх кварков. Кварки соединяются друг с другом, как предполагается, тремя струнами на манер боласа гаучо: три струны соединены концами в центре, а к свободным концам прикреплены три кварка. Единственное, что неверно в аналогии с боласом, – это то, что адронные струны, в отличие от верёвок, эластичны, они могут растягиваться подобно идеальной резиновой нити. Но поскольку обычные протоны и нейтроны представляют собой самую низкоэнергетическую конфигурацию «боласа», то их можно рассматривать как три кварка, соединённых очень короткими нерастяжимыми нитями.

Кварки на концах струн могут двигаться множеством способов. Например, «болас» может вращаться вокруг центральной точки, где соединяются концы струн, и в этом случае центробежная сила будет растаскивать кварки в разные стороны. Вращение требует энергии (вспомните E = mc2), а это значит, что вращающийся адрон будет тяжелее невращающегося. На физическом жаргоне частица, обладающая дополнительной внутренней энергией, называется возбуждённой. Кварки могут образовать возбуждённое состояние адрона и не вращаясь. Примером такого состояния могут служить колебательные движения кварков в направлении центра. Вдобавок и сами струны могут вибрировать наподобие гитарных. Все эти движения или, по крайней мере, косвенные свидетельства таких движений регулярно наблюдаются в реальных экспериментах с нуклонами. Барионы действительно ведут себя как эластичный квантовый болас.