Физики вывели теорию струн из базовых предположений

Группа физиков из Калифорнийского технологического института, Нью-Йоркского университета и Института физики высоких энергий в Барселоне под руководством профессора Клиффорда Ченга обнаружила, что ключевые элементы теории струн, включая вибрирующие струны и их характерный спектр частиц, возникают автоматически из нескольких базовых предположений о поведении частиц при высоких энергиях. Работа под названием «Струны из почти ничего» принята к публикации в журнале Physical Review Letters.

Современная фундаментальная физика сталкивается с глубоким противоречием. С одной стороны, квантовая механика блестяще описывает микромир, а с другой общая теория относительности Эйнштейна управляет космическими масштабами и включает гравитацию. Попытки объединить эти теории в рамках квантовой гравитации приводят к математическим бесконечностям, которые делают уравнения бессмысленными.

Теория струн, разработанная в 1960-х годах, предлагает изящное решение: все элементарные частицы, включая гипотетический гравитон, на самом деле являются крошечными вибрирующими струнами, размер которых примерно в миллиард миллиардов раз меньше протона. Однако у теории струн есть серьезные недостатки. Для ее экспериментальной проверки потребовался бы ускоритель частиц размером чуть ли не с галактику, а сама математика требует существования как минимум десяти измерений, вместо привычных четырех (три пространственных плюс время). Эти трудности заставляют многих ученых скептически относиться к теории.

В поисках выхода физики обратились к так называемому бутстреп-подходу (bootstrap). Вместо того чтобы постулировать существование струн, они начинают с нескольких фундаментальных предположений об устройстве Вселенной и смотрят, какие законы из этих предположений следуют. Исследователи из Калтеха, Нью-Йоркского университета и Барселоны взяли за основу два свойства рассеяния частиц при сверхвысоких энергиях.

Первое — «ультрамягкость»: при увеличении энергии вероятность рассеяния частиц резко падает, что предотвращает возникновение бесконечностей и делает вычисления математически корректными. Второе предположение, более техническое, касается «минимальных нулей» — определенных кинематических точек, в которых амплитуды рассеяния обязаны обращаться в ноль, причем минимально возможным способом.

Опираясь только на эти два предположения, ученые строго математически вывели всю структуру теории струн. В полученном решении автоматически появилась знаменитая бесконечная «башня» частиц с дискретно возрастающими массами и спинами, которую в конце 1960-х годов открыл итальянский физик Габриэле Венециано. Эта башня оказалась точным аналогом гармонического ряда обычной музыкальной струны: основная нота и обертоны соответствуют разным типам элементарных частиц.

Например, фотон возникает из основной моды открытой струны, а гравитон из основной моды замкнутой струны. При этом теория струн естественным образом включает в себя гравитацию, что в 1974 году осознали Джон Шварц из Калтеха и его коллега Жоэль Шерк.

Ультрамягкость рассеяния — это свойство, которое описывает, как частицы ведут себя при столкновениях на экстремально высоких энергиях, приближающихся к так называемому планковскому масштабу. В обычной общей теории относительности при попытке рассчитать рассеяние частиц на таких энергиях математические уравнения «взрываются», возникают неконтролируемые бесконечности, которые делают предсказания бессмысленными. Ультрамягкость означает, что по мере роста энергии вероятность того, что частицы отклонятся друг от друга или обменяются импульсом, резко падает. Частицы как бы перестают замечать друг друга и свободно проходят мимо, вместо того чтобы интенсивно рассеиваться. Это кардинально смягчает математику, подавляя опасные бесконечности и делая вычисления согласованными. Именно это свойство исследователи заложили в свою бутстреп-модель как одно из фундаментальных предположений о том, какой должна быть корректная квантово-гравитационная теория.

Минимальные нули амплитуд это более тонкое и техническое предположение, касающееся особых кинематических точек, в которых амплитуда рассеяния частиц обращается в ноль. В процессе столкновений существуют определенные конфигурации энергий и углов, при которых вероятность рассеяния становится точно нулевой — такие точки называются нулями амплитуды. Предположение о минимальности требует, чтобы количество таких нулей было наименьшим, какое только допускают основные физические принципы, такие как причинность и унитарность (сохранение полной вероятности). Иными словами, природа не плодит лишних «обнулений» без необходимости. В сочетании с ультрамягкостью это жесткое условие оказалось настолько ограничивающим, что из всех мыслимых математических функций только одно семейство функций, соответствующее теории струн, смогло удовлетворить обоим требованиям. Именно поэтому авторы работы подчеркивают, что струны «возникли сами собой», то есть минимальные нули вместе с ультрамягкостью оставили теории струн практически единственный математически возможный путь.

Авторы новой работы подчеркивают, что они изначально не закладывали в свои расчеты никаких предположений о струнах. Тем не менее единственным математически согласованным решением, удовлетворяющим взятым за основу свойствам «ультрамягкости» и «минимальных нулей», оказалась именно теория струн со всеми ее характерными чертами: полным спектром масс и спинов частиц, а также детальными правилами их взаимодействия.

Как выразился Клиффорд Ченг, «струны просто сами собой появились». Этот результат особенно ценен тем, что из бесконечного множества потенциально возможных решений базовые предположения выделили единственное, что резко повышает его теоретическую значимость.

Смотрите также:

Хотя работа не является экспериментальным доказательством теории струн, она показывает, что ключевые идеи струнной теории могут быть не произвольным математическим построением, а почти неизбежным следствием самых общих и правдоподобных свойств квантового мира. Более того, бутстреп-подход дает физикам инструмент для поиска альтернативных теорий: если теория струн окажется неверной, то именно от этих базовых предположений придется отказаться.

В результате группа физиков строго математически доказала, что из двух минимальных предположений о поведении частиц при высоких энергиях — ультрамягкости рассеяния и минимальных нулях амплитуд, автоматически и единственным образом следует полная структура теории струн: бесконечный спектр частиц-«гармоник», соответствующий вибрирующим струнам, и правила их взаимодействия, включая гравитон.

Это не экспериментальное подтверждение, но серьезный аргумент в пользу того, что теория струн может быть не произвольной гипотезой, а почти неизбежным выводом из самых фундаментальных свойств квантовой гравитации.