М-теория: Мать всех суперструн

17-m-theory-2

Оригинал написан доктором физических наук Мичио Каку.

Введение в Мтеорию

Примерно каждое десятилетие поразительный прорыв в теории струн шокирует сообщество физиков теоретиков, создавая возбужденные излияния в разного рода научных работах. Сегодня работы продолжают довольно большим потоком поступать в Национальную лабораторию Лос Аламос, официальное координационное учреждение по работе с документами на тему суперструн. Например, John Schwarz из Калифорнийского института технологии, выступает на конференциях по всему миру, провозглашая «вторую революцию суперструн». Edward Witten, из Института перспективных исследований в Принстоне, провел трехчасовую лекцию, описывая эту революцию. Последствия этого прорыва сказываются и на других дисциплинах, как математика.

Cumrun Vafa из Гарварда отмечает: «Вероятно, у меня предвзятое отношение, но я думаю, что главное развитие происходит не только в теории струн, но и в теоретической физике. По крайней мере, за последние два десятилетия». Это возбуждение вызвано открытием новой теории, которая получила название М-теория, то есть теория, которая может объяснить происхождение струн. Одним ошеломительным ударом эта новая теория решила целый ряд давних загадок о теории струн, которые ставили многих теоретических физиков (в том числе и меня) в тупик. Более того, М-теория может даже вынудить нас изменить название теории струн. И хотя многие аспекты М-теории все еще не до конца известны, кажется, что эта теория не ограничивается изучением струн. Michael Duff из университета A & M в Техасе уже проводит выступления на тему «Теория ранее известная, как теория струн!». Теоретики в данной области осторожно отмечают, что пока еще рано говорить о конечной правильности теории. Ни в коем случае. Доказательство теории может занять несколько лет или десятков лет. Но, в любом случае, это уже говорит о значительном прорыве, который уже видоизменил всю область науки.  

Притча о льве

Эйнштейн однажды сказал: «Природа показывает нам только хвост льва. Но я нисколько не сомневаюсь в том, что лев действительно существует, хотя из-за своего огромного размера он не может сразу появиться целиком». Эйнштейну потребовалось 30 лет, чтобы найти «хвост», который приведет его ко «льву». Единая теория поля или «теория всего», которая объединяет все силы вселенной в единое уравнение. Четыре силы (притяжения, электромагнетизма и сильные, слабые ядерные силы) были бы объединены в одном уравнении длиной в один дюйм. Захват «льва» стал бы величайшим научным достижением всей физики, достижением, венчающим 2 000 лет научных исследований с того момента, когда греки впервые задались вопросом о том из чего сделан мир. Хотя Эйнштейн был первым, кто начал эту охоту и смог выследить следы, оставленные львом, он, в конечном итоге, потерял след и ушел в самую глубь. Другие гении физики 20 века, как Вернер Гейзенберг и Вольфган Паули, также присоединились к этой охоте. Но все идеи оказывались ошибочными. Когда Нильс Бор  услышал лекцию Паули, в которой он объяснял свою версию единой теории поля, Бор встал и сказал: «Мы здесь все согласны, что ваша теория – безумство. Но нас разделяет спорный вопрос, достаточно ли безумна ваша теория!».

След, который привел к единой теории поля, на самом деле, запутан неудавшимися экспедициями и разрушенными мечтами. Однако сегодня физики идут по иному следу, который может быть «достаточно безумным», чтобы привести их ко льву. Этот новый след и привел нас к теории суперструн. Именно эта теория лучший (и единственный) кандидат для теории всего. В отличие от своих соперников, теория смогла выдержать все математические испытания, которыми ее закидали. Не удивительно, эта теория – радикальный, «безумный» уход от прошлого, основанный на крошечных струнах, вибрирующих в десятимерном пространственно-временной континууме. Более того, теория легко поглощает теорию тяготения Эйнштейна. Witten сказал: «В отличие от традиционной теории квантового поля, теория струн требует тяготения. Я рассматриваю этот факт, как один из наиболее значимых фактов, которые когда-либо были сделаны в науке». Но до недавнего времени в теории было очевидное слабое место: теоретики струн не могли проверить все решения модели и потерпели неудачу, исследуя то, что мы называем «невозмущенным пространством». Это крайне важно, так как наша вселенная (с ее удивительным разнообразием галактик, звезд, планет, субатомных частиц и даже людей) может находиться в этом «невозмущенном пространстве».  Пока мы не изучили это пространство, мы не можем знать, является ли теория струн теорией всего или теорией ничего! Именно из-за этого и возник ажиотаж. Первый раз, используя мощный инструмент под названием «дуальность», физики сейчас исследуют область вне хвоста и, наконец, могут видеть очертания огромного, неожиданно красивого льва. Не зная, какое название дать, Witten придумал название М-теория. Одним разом, М-теория решила многие спорные вопросы теории, например, почему мы имеем 5 теорий суперструн. В конечном итоге, теория может решить волнующий вопрос, откуда берутся струны.

Pбраны м Мать всех струн

Эйнштейн однажды  спросил себя, был ли у Господа выбор, когда он создавал вселенную. Вероятно, нет. Поэтому теоретики струн попали в неловкое положение, когда у них появилось пять разных последовательных струн, и все они могут объединить две фундаментальные в физике теории: теорию гравитации и квантовую теорию.

Каждая из этих теорий струн кажется совершенно отличной от других. Они построены на разных симметриях с необычными названиями, как E(8)xE(8) и O(32).

В некотором смысле, суперструны не уникальны: есть и другие неструнные теории, которые содержат «суперсимметрию», ключевую математическую симметрию, лежащую в основе суперструн. (Замена света электронами, а затем гравитацией – это одна из самых удивительных вещей суперсимметрии, то есть симметрии, которая может обмениваться частицами с неполным спином, как электроны и кварки, с частицами полного спина, как фотоны, гравитоны).

В 11 измерениях существуют альтернативные супер теории, основанные на мембранах, а также на  точечных частицах (супер гравитация). В меньших измерениях царит целый хаос супер теорий, основанных на мембранах в разных измерениях. (Например, точечные частицы – это 0-брана, струны – 1 брана, мембраны – 2 брана и т.д.). В случае с P-измерениями, некий шутник назвал их P-бранами. Но так как с P-бранами очень тяжело работать, они долгое время считались лишь историческим курьезом, следом, который завел в тупик.

Итак, это была большая загадка. Почему суперсимметрия допускала 5 суперструн и эту многообразную коллекцию P-бран? Теперь мы понимаем, что струны, супрегравитация и P-браны – это просто различные аспекты одной и той же теории. М-теория (М означает “Мембрана” или “Мать всех струн”) объединяет 5 суперструн в одну теорию, включая P-браны. Чтобы посмотреть, как все это складывается воедино, давайте обновим известную притчу о слепых мудрецах и слоне. Представим, что мудрецы идут по следу льва. Услышав его, они начинают его преследовать и отчаянно хватают его за хвост (1-брана). Изо всех сил держа льва за хвост, они понимают, что это некая одномерная форма и громок заявляют: «Это струна! Это струна!».

Но затем один слепой человек проходит чуть дальше и хватает льва за ухо. Он чувствует, что это некая двумерная поверхность (мембрана) и он заявляет: «Нет, на самом деле, это 2-брана!». Затем еще одному слепому человеку удается схватить льва за лапу. Почувствовав трехмерное тело, он выкрикивает: «Нет, вы оба ошибаетесь. Это ведь 3-брана!». На самом деле, все они правы. Так же как хвост, ухо  и лапа – это три разных части одно льва, струна и различные р-браны, кажется, являются разными границами одной и той же теории, а именно М-теории. Paul Townsend из кембриджского университета, один из создателей этой идеи, привел термин «демократия P-бран», что означает, что все P-браны (включая струны) создаются равными. Schwarz подходит к этому вопросу немного по другому. Он говорит: «мы сейчас попали в Оруэлловскую ситуацию: все P-браны равны, но некоторые (а именно, струны) более равны, чем другие. Суть в том, что только на них мы можем полагаться в теории возмущений».

Противники теорий струн

Однако критики все еще не могут получить ответ на мучающий их вопрос: как вы это проверите? Так как теория струн – это теория создания, когда симметрия купалась в лучах славы и единственным способом доказать теорию, по мнению критиков,  являлось новое создание большого взрыва, что невозможно. Нобелевский лауреат Sheldon Glashow любит высмеивать теорию суперструн, сравнивая ее с бывшим планом Президента Регана о «звездных войнах» (план противоракетной стратегической оборонной инициативы). Он хочет показать, что обе теории невозможно проверить, обе теории поглощают все ресурсы и обе теории «перекачивают» лучшие научные умы.

В действительности, многие теоретики струн считают такую критику глупой. Они полагают, что критики не улавливают суть. А суть в том, что если теорию можно доказать при помощи чистой математики, тогда мы опустимся до теории обычных протонов, электронов, атомов и молекул, для которых можно найти огромное количество экспериментальных данных. Если бы могли полностью доказать теорию, мы смогли бы извлечь ее низкоэнергетический спектр, который должен соответствовать знакомым частицам, которые мы видим сегодня в стандартной модели. Поэтому проблема не в том, чтобы создать ускоритель частиц диаметром в 1000 световых лет. Проблема в человеке, в том, что мы пока не достаточно умны, чтобы записать М-теорию и доказать ее.

Эволюция в обратном направлении

Итак, что могло бы помочь доказать теорию раз и навсегда и принести конец всем размышлениям и дискуссиям? Есть несколько подходов. Первый и самый прямой подход: попытаться вывести стандартную модель взаимодействия частиц с ее коллекцией кварков, глюонов, электронов, нейтрино и хигсовских бозонов и так далее и тому подобное. (Я должен признать, что хотя стандартная модель и является самой успешной физической теорией, это еще и самая уродливая модель). Это можно сделать, введя от 6 до 10 дополнительных измерений, оставив нас с четырехмерной теорией, которая немного напоминала бы стандартную модель. Затем попытаться использовать дуальность и М-теорию, чтобы проверить невозмущенное пространство и посмотреть, правильно ли разрушается симметрия Однако философия Witten немного отличается. Он считает, что ключ к доказательству теории струн лежит в понимании принципов, лежащих в основе этой теории.

Позвольте мне объяснить. Теория Эйнштейна об относительности, например, начиналась с первых принципов.  Эйнштейну пришла в голову «самая радостная мысль в его жизни», когда он вытянулся в кресле в бюро патентов в Берне. Он осознал, что человек в падающем лифте не почувствует гравитации. Хотя все физики со времен Галилео знали об этом, Эйнштейн смог извлечь из этого  принцип эквивалентности. Это обманчиво простое утверждение привело Эйнштейна к введению в физику новой симметрии. А это, в свою очередь, дало рождение теории гравитации. И только теперь мы пытаемся квантовать теорию, чтобы сделать ее совместимой с другими силами. Поэтому эволюцию этой теории можно кратко свести к следующему: Принцип – Симметрия – Действие – Квантовая теория. Согласно Witten, нам нужно открыть аналог принципа эквивалентности для теории струн. Но проблема в том, что теория струн эволюционировала в обратном порядке. Как говорит Witten: «Теория струн 21 века в физике случайно упала по своему развитию до уровня физики 20 века». Вряд ли мы увидим эту теорию раньше начала следующего века.

Близится конец?

Vafa недавно привнес странный поворот всей этой ситуации, когда он ввел еще одну мега-теорию. На этот раз, 12-ти мерная теория была названа F-теорией (от английского father, отец), которая объясняет самостоятельную дуальность струн типа IIb. С сожалением следует отметить, что эта теория несколько странная: в теории есть две оси времени, вместо одной и еще теория нарушает 12-ти мерную относительность. Представьте, если бы мы жили в мире, где было бы два типа времени. Итак финальная версия – это 10, 11 или 12-ти мерная теория?

Schwarz полагает, что финальная версия М-теории может даже и не иметь какого-либо фиксированного измерения. Он считает, что истинная теория может быть независимой от любой размерности пространства и времени. Townsend, кажется, также с этим согласен: «само понятие измерения является приблизительным и возникаете только в квазиклассическом контексте». Означает ли это, что скоро мы увидим конец, что однажды мы сможем извлечь стандартную модель из первых принципов?  Я задал этот вопрос некоторым авторитетным специалистом в данной области. И хотя все они с энтузиазмом смотрят на революцию, они все же с осторожностью высказывают свои прогнозы на будущее. Townsend уверен, что мы сейчас находимся на стадии, аналогичной старой стадии квантовой эры атома Бора, как раз перед самым началом освещения квантовой механики. Он говорит: «У нас есть продуктивные условия, а также некоторые правила, аналогичные правилам квантования Бора—Зоммерфельда. Но совершенно очевидно, что у нас нет завершенной полноценной  теории».

Duff говорит: «разве М-теория это только теория суперструн и пяти супер-бран, требующая невозмущенного квантования или (как полагает Witten) степень свободы М-теории еще предстоит открыть? Лично я в данном случае встаю на позицию агностика». Witten, конечно же, полагает, что мы на правильном пути, но нам нужны еще революции, чтобы окончательно доказать теорию. «Я думаю, что, по крайней мере, в будущем, у нас будет пара революций в области суперструн. Если мы сможем справиться с еще одной революцией в области суперструн, я думаю, что все у нас будет хорошо». Vafa отмечает: «Я надеюсь, что это и есть свет в конце тоннеля, но кто знает, какой длины этот тоннель!». Schwarz написал об М-теории: «Пока так и не ясно на чем основана теория: на чем-то геометрическом (как супермембраны) или на чем-то совершенно ином. В любом случае, доказательство теории станет новой вехой в интеллектуальной истории человечества». Лично я с оптимизмом отношусь к теории. Впервые мы можем увидеть очертания всего льва. И это удивительно. Однажды мы услышим рев этого животного.

Источник: mkaku.orgthegoods.ru

Комментарии закрыты