Об эксперте: Эмиль Ахмедов, доктор физико-математических наук, исследователь в ИТЭФ, МФТИ и НИУ ВШЭ.
Почему обычное представление о частицах не совсем верно
Многие из нас, услышав словосочетание «элементарные частицы», представляют маленькие крупинки или шарики. При этом может казаться, что все объекты во Вселенной складывается из этих крупинок, как монолиты. Однако любые представления необходимо проверять независимым способом, и ученые после ряда экспериментов пришли к мнению, что элементарные частицы не всегда корректно представлять материальными точками. Это только математическая идеализация, которая подходит для описания определенного класса наблюдений. То есть не во всех экспериментах элементарные частицы похожи на какие-то маленькие шарики. Например, при достаточно высоких энергиях они иногда ведут себя, как волны. Кроме того, исследователи поняли, что их длина связана с переносимой ими энергией: чем выше энергия, тем короче длина волны.
Частицы действительно выглядят как струны?
Заряженные частицы получают в ускорителе частиц. Чем больше становится энергия частиц при столкновении в нем, тем значительнее уменьшаются расстояния, которые мы можем на нем «прощупать». На ускорителях физики и проверяют свои умозрительные заключения. Теория струн предсказывает, что если провести эксперимент при еще более высоких энергиях (намного больше, чем те огромные энергии, что реализуются на современных коллайдерах), то каждая элементарная частица будет вести себя как двумерная вселенная, которая в заданный момент времени похожа на струну или очень тонкую резинку. И только с больших расстояний такая струна выглядит, как точка.
Согласно теории струн, в каждой одномерной вселенной (внутри каждой отдельной элементарной частицы) живет один и тот же мир. Но разные состояния теории отвечают разным типам элементарных частиц. Ситуация аналогична той, что возникает в случае с гитарной струной: если ее дернуть, возникнет стоячая волна.
Тогда первая мода (когда между зажимами умещается одна полуволна) может отвечать, например, фотону. А вторая (когда между зажимами умещается две полуволны или целая длина волны) может отвечать какой-то другой элементарной частице: например, электрону. При этом стоит подчеркнуть, что теория струн пока не подтверждена экспериментально.
Как появилась теория струн
Ученые наблюдали за столкновениями частиц на ускорителях и заметили, что в результате реакций возникали целые семьи частиц. Все выглядело так, будто различные разные частицы внутри одной семьи вели себя, как различные гармоники струны. Одним из первых придал этому наблюдению математическую форму итальянский физик Габриэле Венециано. Тогда, в 1960-х годах, исследователи пытались найти теорию, которая бы точно предсказывала спектр масс частиц в обсуждаемых семьях. К сожалению, полного сходства с реальностью не получалось.
Однако ученые заметили, что в спектре струны возникали частицы, которые имели те же свойства, что и фотоны (в случае открытой струны), и гравитоны (в случае замкнутой струны). Так и возникла идея попробовать применить создаваемую теорию для описания гравитации и других фундаментальных теорий, а не к описанию поведения адронов — частиц, возникающих в ядерных реакциях. Здесь основной вклад внесли такие физики как Джон Шварц, Эдвард Виттен, Жоэль Шерк и Александр Поляков.
Как теория струн стала «теорией всего»
Где-то к началу 1980-х ученые поняли, что теория струн, изначально придуманная для описания взаимодействий адронов, имеет более фундаментальный характер. Тогда и началась так называемая «струнная революция». Около 20 лет эта концепция была основным локомотивом развития фундаментальной физики. Существовала надежда, что она объяснит не только природу всех элементарных частиц, но и размерность того пространства-времени, в котором мы живем. Важно также, что появлялся единый общий взгляд на все существующие типы частиц. Однако не все чаяния оправдались, поэтому где-то в 2000-х годах интерес к теории струн начал угасать, и сейчас ажиотаж стих. Тем не менее, теория струн обогатила физику и математику методами вычисления, новыми фактами и формулами.
Теория струн правда предсказывает дополнительные измерения в пространстве-времени?
Теория суперструн может быть сформулирована логически непротиворечиво только в 10 измерениях — в 9 пространственных и одном временном. Наш же мир является четырехмерным. Кажущееся противоречие в рамках теории струн объясняется тем, что каждая точка нашего трехмерного пространства имеет структуру, которую можно увидеть, только если смотреть в очень мощный микроскоп. А именно: заметить дополнительные измерения можно только, если рассеивать элементарные частицы на ускорителях при очень высоких энергиях.
В чем недостаток теории струн
Главная проблема с теорией струн заключается в том, что она предсказывает (наряду со всеми элементарными частицами, которые мы уже видим в экспериментах) целый ряд других частиц, которых мы не наблюдаем. Пока не удается объяснить, куда деваются лишние частицы.
Кроме того, революция в теории струн во многом была основана на маркетинге, а не на поиске истины. Этот факт вызывал у остального научного сообщества крайне негативную реакцию. При этом и Стандартная модель, и Бозон Хиггса, в частности, вокруг которых тоже было много шума, отличаются от теории струн простым фактом: их существование было доказано экспериментально. Однако стоит подчеркнуть, что несмотря ни на что, теория струн прекрасна во многих своих математических проявлениях. В ее основе лежат красивые математические методы и ее конструктивная часть безусловно останется среди достижений фундаментальной науки.