Фрагмент физики XXI в

Учитывая колоссальную мощность симметрий теории суперструн неудивительно, что эта теория кардинально отличается от любой другой, относящейся к физике. Она была открыта, в сущности, случайно. Многие физики отмечали: если бы не эта счастливая случайность, то теорию суперструн открыли бы лишь в XXI в. Дело в том, что она представляет собой решительное отступление от всех идей, предложенных в XX в. Теория суперструн — не экстраполяция и не продолжение популярных тенденций и теорий XX в., она занимает особое положение.

В отличие от нее, общая теория относительности эволюционировала «традиционно» и последовательно. Сначала Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности сил гравитации и инерции. Затем он математически выразил этот принцип в гравитационной теории поля, основой которой стали поля Фарадея и метрический тензор Римана. Затем появились «классические решения», такие как черные дыры и Большой взрыв. И наконец, последний этап — современная попытка сформулировать квантовую теорию гравитации. Таким образом, общая теория относительности развивалась последовательно, проходя в своем развитии этапы от физического принципа до квантовой теории:

Геометрия —> Теория поля —> Классическая теория —> Квантовая теория.

В отличие от нее, теория суперструн развивалась в обратном направлении с тех пор, как была случайно открыта в 1968 г. Вот почему теория суперструн кажется большинству физиков такой странной и непривычной. Мы до сих пор заняты поисками физического принципа, лежащего в основе этой теории, — аналога принципа эквивалентности Эйнштейна.

Теория струн родилась по чистой случайности, когда в 1968 г. два молодых физика-теоретика — Габриэле Венециано и Махико Судзуки — независимо друг от друга листали книги по математике в поисках математических функций, подходящих для описания сильного взаимодействия частиц. Занимаясь исследованиями в ЦЕРНе (CERN), Европейском центре теоретической физики в Женеве, Швейцария, эти ученые независимо друг от друга обратили внимание на бета-функцию Эйлера — математическую функцию, записанную в XIX в. математиком Леонардом Эйлером. Габриэле Венециано и Махико Судзуки с изумлением обнаружили, что бета-функция Эйлера обладает почти всеми свойствами, необходимыми для описания сильных взаимодействий элементарных частиц.

Однажды за обедом в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, Калифорния, любуясь живописной, озаренной солнцем панорамой гавани Сан-Франциско, Судзуки рассказал мне, какой трепет испытал, совершенно случайно сделав открытие, имеющее важные последствия. В физике не предполагается движение по такому пути.

Отыскав в математическом справочнике бета-функцию Эйлера, взволнованный Судзуки показал находку своему руководителю, одному из физиков ЦЕРНа. Тот выслушал Судзуки, но это не произвело на него сильного впечатления. И сообщил, что другой молодой физик, Венециано, нашел ту же самую функцию несколькими неделями ранее. Руководитель отговорил Судзуки от публикации полученных результатов. Сегодня эта бета-функция, известная под названием модели Венециано, уже послужила источником вдохновения для нескольких тысяч научных статей, породила крупную школу физики, а теперь претендует на решающую роль в объединении всех физических законов. (Оглядываясь назад, можно сделать вывод, что Судзуки следовало бы все же опубликовать свои результаты. Полагаю, это урок всем нам: никогда не воспринимайте советы начальства излишне серьезно.)

В 1970 г. тайна, окружающая модель Венециано-Судзуки, была частично раскрыта, когда Ёитиро Намбу из Чикагского университета и Тэцуо Гото из Университета Нихон обнаружили, что удивительные свойства этой модели обусловлены вибрациями струны.

Поскольку теория струн была открыта в обратном порядке и вдобавок случайно, физики до сих пор не знают, какой физический принцип лежит в ее основе. Последний шаг в развитии этой теории (и первого этапа в эволюции общей теории относительности) по-прежнему не сделан.

Виттен добавляет, что «человечество планеты Земля никогда не располагало понятийным аппаратом, который привел бы его к целенаправленному созданию теории струн… Никто не изобретал ее направленно, она появилась в результате счастливой случайности. По справедливости, физикам XX в. не должна была достаться привилегия изучать эту теорию. Теорию струн не должны были открыть до тех пор, пока наши познания, необходимые для ее дальнейшего развития, не достигли уровня, позволяющего составить верное представление о том, что все это означает»^[82].

Петли

Формула, выведенная Венециано и Судзуки, с помощью которой они надеялись описать свойства взаимодействующих субатомных частиц, была неполной. Она не отвечала одному из важных условий физики — унитарности, или сохранению вероятности. Сама по себе формула Венециано-Судзуки давала неверные результаты относительно взаимодействия частиц. Поэтому следующим этапом эволюции теории стало внесение небольших квантовых поправок, способных придать формуле недостающее свойство. В 1969 г., еще до появления струнной интерпретации Намбу и Гото, три физика (Кейдзи Киккава, Бундзи Сакита и Мигель Вирасоро, в то время работавшие в Университете Висконсина) предложили верное решение: внесение все более малых компонентов в формулу Венециано-Судзуки с целью восстановления унитарности.

Этим ученым пришлось догадываться, как восстановить всю последовательность с нуля, однако сегодня ее нетрудно понять в рамках представлений о струнах, изложенных Намбу. К примеру, путь летящего шмеля в пространстве можно изобразить извилистой линией. Когда в пространстве движется отрезок струны, его траекторию можно сравнить с воображаемым двумерным листом бумаги. Когда замкнутая струна перемещается в пространстве, ее путь напоминает туннель.

Струны взаимодействуют, разделяясь на струны меньшего размера или соединяясь с другими струнами. Когда эти взаимодействующие струны перемещаются, они вычерчивают фигуры, показанные на рис. 7.1. Обратите внимание: две трубы появляются слева, одна делится пополам, заменяет среднюю и отклоняется вправо. Так трубы взаимодействуют друг с другом. Конечно, эта схема — всего лишь наглядное представление чрезвычайно сложных математических выкладок. При расчете численного выражения, соответствующего этим схемам, мы вернемся к бета-функции Эйлера.

Рис. 7.1. В теории струн сила гравитации представлена как взаимодействие замкнутых струн, которые в пространстве-времени прокладывают туннель. Даже при добавлении бесконечного ряда схем с огромным количеством отверстий бесконечности в теории не появятся, в итоге мы получим конечную теорию квантовой гравитации.

В этой струнной модели ключевой прием, предложенный Киккава, Сакита и Вирасоро (КСВ), сводился к добавлению всех возможных схем столкновения и распада струн. Разумеется, таких схем может быть бесчисленное множество. Процесс добавления бесконечного количества «петлевых схем», при котором каждая схема служит приближением к конечному ответу, — это теория возмущений и один из самых эффективных видов оружия в арсенале любого специалиста по квантовой механике. (Этим струнным схемам присуща прекрасная симметрия, ранее никогда не виданная в физике и названная конформной симметрией в двух измерениях. Конформная симметрия позволяет нам рассматривать трубы и листы так, словно они сделаны из резины: схемы можно перетаскивать, растягивать, сгибать, сжимать. Благодаря конформной симметрии мы можем доказать, что все математические выражения остаются неизменными.)

КСВ утверждали, что совокупность всех петлевых схем дает точную математическую формулу, объясняющую, как именно взаимодействуют субатомные частицы. Однако модель КСВ представляла собой ряд недоказанных предположений. Кто-то должен был построить эти петли в явном виде, чтобы эти предположения не оказались бесполезными.

Заинтригованный моделью, начало которой положили КСВ, я решил попытать удачу и заняться этой проблемой. Сделать это оказалось непросто, так как в то время я в буквальном смысле слова уворачивался от пулеметных очередей.

Учебный лагерь

Я хорошо помню, как в 1969 г. была опубликована статья КСВ. Ее авторы скорее намечали программу дальнейшей работы, чем вдавались в подробности. И я решил вычислить в явном виде все возможные петли и закончить модель КСВ.

То были незабываемые времена. За океаном свирепствовала война, не прекращались беспорядки в кампусах всего мира — от Кентского до Парижского университетов. Я окончил Гарвард годом ранее, когда президент Линдон Джонсон отменил отсрочки от призыва для аспирантов, чем поверг в панику высшие учебные заведения страны. В кампусах воцарился хаос. Внезапно мои друзья побросали учебу, занялись преподаванием в школе, собрали вещи и устремились в Канаду либо пытались повредить своему здоровью, чтобы не пройти призывную комиссию.

Карьерные перспективы разбивались вдребезги. Один из моих близких друзей-физиков из Массачусетского технологического института поклялся, что лучше сядет в тюрьму, чем пойдет воевать во Вьетнаме. Он просил нас посылать ему в тюрьму новые номера Physical Review, чтобы он мог следить, как продвигается работа над моделью Венециано. Другие мои знакомые ушли из колледжей преподавать в старших классах школы, лишь бы избежать участия в войне, и тем самым положили конец многообещающим научным карьерам. (Многие из них преподают в школах до сих пор.)

Через три дня после выпуска я покинул Кембридж и очутился на военной базе в Форт-Беннинге, Джорджия, — самом большом в мире учебном лагере пехоты, а позднее — в Форт-Льюисе, Вашингтон. Из десятков тысяч необученных новобранцев, не имеющих никакого опыта военной службы, наскоро сколачивали боевые соединения и отправляли их во Вьетнам, на замену 500 еженедельно гибнущим «джи-ай».

Однажды днем, бросая боевые гранаты под палящим солнцем Джорджии и глядя, как смертоносные осколки разлетаются во все стороны, я вдруг задумался. Сколько ученых своими глазами увидело ужасы войны? Сколько подающих надежды исследователей было сражено пулями в расцвете лет?

Я вспомнил Карла Шварцшильда, который умирал в кайзеровской армии на русском фронте во время Первой мировой войны через несколько месяцев после того, как он нашел основное решение уравнений Эйнштейна, применяемых во всех расчетах, связанных с черными дырами. (В его честь назван радиус Шварцшильда. В 1916 г., после пребывания Шварцшильда на передовой и его безвременной кончины, Эйнштейн обратился к Прусской академии с просьбой увековечить труды покойного.) Сколько еще перспективных ученых погибло еще до того, как началась их карьера?

Я понимал, что боевая подготовка пехоты — это не шутки: она призвана укрепить боевой дух и ослабить интеллект. Вдобавок из будущих пехотинцев выбивают независимость мышления. Армии не нужны умники, сомневающиеся в правильности приказов сержанта в разгар перестрелки. Зная об этом заранее, я решил взять с собой в лагерь материалы по физике. Во время кухонных нарядов и чистки картошки или стрельбы из пулемета мне требовалось занять чем-то мозг. И я взял с собой статью КСВ.

Во время ночных учений мне пришлось преодолевать полосу препятствий, а значит, уворачиваться от пулеметных очередей, по-пластунски пробираться под колючей проволокой и ползать в вязкой бурой грязи. Пули были трассирующими, поэтому я видел тысячи красивых багровых линий, пролетающих в нескольких футах от моей головы. Но мыслями я неизменно возвращался к статье КСВ, к возможности осуществить их программу.

К счастью, особенностью представленных вычислений была строгая топологичность. Мне стало ясно, что все эти петли — совершенно новый язык физики, язык топологии. Никогда прежде в истории физики ленты Мебиуса и бутылки Клейна не использовались для фундаментальных целей.

Поскольку во время стрельбы из пулемета мне редко удавалось держать под рукой бумагу и карандаш, пришлось рисовать в голове картины, как струны образуют петли и выворачиваются наизнанку. По сути дела, учебные стрельбы принесли немало пользы, приучив меня оперировать большими группами уравнений в уме. К тому времени, как я завершил интенсивный курс стрелковой подготовки, я уже не сомневался, что сумею выполнить вычисления для всех петель.

И наконец, я ухитрялся выкроить время в промежутках между учениями и ездил в Калифорнийский университет в Беркли, где яростно прорабатывал детали преобразований, производимых мысленно. Этому вопросу я посвятил несколько сотен часов напряженного обдумывания. Он и стал темой моей диссертации.

К 1970 г. последние вычисления до отказа заполнили несколько сотен страниц блокнота. Под неусыпным надзором моего научного руководителя Стэнли Манделстама мы с коллегой Лопин Юй успешно рассчитали явное выражение для всех возможных петельных диаграмм, известных на тот момент. Но проделанная работа меня не устраивала. Программа КСВ представляла собой смесь эмпирических правил и интуитивных предположений, а не набор основных принципов вычислений для петель. Как мы уже видели, с тех пор как теория струн была случайно открыта Венециано и Судзуки, ее развитие шло в обратной последовательности. Следующим этапом обратной эволюции теории струн было шествие по стопам Фарадея, Римана, Максвелла и Эйнштейна и построение струнной теории поля.

Струнная теория поля

Со времен новаторского труда Фарадея все физические теории записывались в виде полей. На теории поля основана максвелловская теория света, как и теория Эйнштейна. По сути дела, вся физика частиц опирается на теорию поля. Не основана на ней только теория струн. Программа КСВ представляла собой скорее список удобных правил, нежели теорию поля.

Моей следующей задачей было исправить это положение. Однако проблемой струнной теории поля оставалось ее неприятие многими видными учеными. Их доводы выглядели просто. Такие титаны физики, как Хидеки Юкава и Вернер Гейзенберг, долгие годы разрабатывали теорию поля, не опирающуюся на точечные частицы. Они считали элементарные частицы скорее пульсирующими сгустками материи, чем точками. Но, несмотря на все их старания, теории поля, основанные на идее сгустков, неизменно противоречили принципу причинности.

Если вызвать колебания сгустка в одной точке, взаимодействия распространятся быстрее скорости света, проникающего сквозь сгусток, что противоречит специальной теории относительности и создает всевозможные временные парадоксы. Таким образом, «нелокальные теории поля», основанные на идее сгустков, считались непосильной задачей. Многие физики утверждали, что лишь локальная теория поля, построеннная на концепции точечных частиц, может быть последовательной. А нелокальные теории поля неизбежно противоречат теории относительности.

Второй довод выглядел еще убедительнее. Модель Венециано обладала множеством чудесных свойств (в том числе так называемой дуальностью), прежде никогда не виданных в теории поля. Несколькими годами ранее Ричард Фейнман изложил «правила», которым должна подчиняться любая теория поля. Однако правила Фейнмана представляли собой прямое нарушение принципа дуальности. В итоге многие специалисты по теории струн пришли к убеждению, что струнная теория поля невозможна по той причине, что она неизбежно нарушает свойства модели Венециано. Они утверждали, что теория струн занимает особое положение в физике, поскольку ее нельзя преобразовать в теорию поля.

Над этой сложной, но важной задачей я работал вместе с Кейдзи Киккава. Шаг за шагом мы разрабатывали свою теорию поля, точно так же, как наши предшественники строили теории поля для других взаимодействий. По примеру Фарадея мы вводили поле в каждой точке пространства-времени. Но для струнной теории поля нам пришлось обобщать концепцию Фарадея и принять поле, определенное для всех возможных конфигураций струны, колеблющейся в пространстве-времени.

На втором этапе требовалось составить уравнения поля, которым подчиняется струна. С уравнением поля для одной струны, перемещающейся в пространстве-времени, проблем не было. Как и следовало ожидать, наши уравнения поля дали бесконечный ряд струнных резонансов, каждый соответствовал некой субатомной частице. Затем мы обнаружили, что на возражения Юкавы и Гейзенберга можно было ответить с помощью струнной теории поля. Когда мы вызывали колебания струны, они распространялись по струне со скоростью меньшей, чем скорость света.

Но скоро мы зашли в тупик. При попытке ввести взаимодействующие струны мы не могли корректно воспроизвести амплитуду Венециано. Дуальность и счет кривых, приведенный Фейнманом для любой теории поля, находились в состоянии прямого конфликта. Как и полагали критики, некорректными оказались диаграммы Фейнмана. Этот результат обескураживал. Все говорило о том, что теория поля, последний век служившая фундаментом для физики, принципиально несовместима с теорией струн.

Помню, как я, разочарованный, до поздней ночи ломал голову над этой задачей. Несколько часов подряд я методично проверял возможные альтернативные решения. И неизменно приходил к выводу, что они противоречат дуальности. Тогда я вспомнил слова Шерлока Холмса, обращенные к Ватсону в повести Артура Конан Дойля «Знак четырех»: «Сколько раз я говорил вам: если отбросить невозможное, то, что останется, пусть даже самое невероятное , и будет истиной». Ободренный этой мыслью, я отбросил все невозможные альтернативы. Оставалось одно невероятное решение: игнорировать свойства формулы Венециано-Судзуки. Часа в три ночи меня вдруг осенило. Я понял, что физики упустили из виду очевидное решение: формулу Венециано-Судзуки можно разделить на две части. Тогда каждая часть соответствует одной из диаграмм Фейнмана, каждая часть опровергает дуальность, но итог соответствует свойствам теории поля.

Я поспешно взял бумагу и погрузился в расчеты. Следующие пять часов я провел проверяя и перепроверяя вычисления по всем возможным направлениям. Вывод оказался однозначным: теория поля действительно опровергает дуальность, как и следовало ожидать, тем не менее она приемлема, так как в конечном итоге воспроизводит формулу Венециано-Судзуки.

Задача была почти решена. Оставалась лишь одна диаграмма Фейнмана, соответствующая столкновению четырех струн. В том году я читал вводный курс электричества и магнетизма студентам Городского университета Нью-Йорка, и мы с ними изучали силовые линии Фарадея. Я предлагал студентам нарисовать силовые линии вокруг зарядов различной конфигурации, повторяя действия, которые первым проделал Фарадей в XIX в. Внезапно до меня дошло: волнистые линии, которые я просил нарисовать студентов, имеют ту же топологическую структуру, что и столкновение струн. Таким образом, рассматривая заряды в студенческой лаборатории, я нашел точную конфигурацию для столкновения четырех струн.

Неужели все так просто?

Я поспешил домой, чтобы проверить свою догадку, и убедился, что прав. Применяя метод наглядных изображений, доступный даже студенту-первокурснику, я мог продемонстрировать, что взаимодействие четырех струн скрывается в формуле Венециано. К зиме 1974 г. мы с Киккава, пользуясь методами, восходящими еще к временам Фарадея, закончили разработку струнной теории поля — первой удачной попытки сочетать теорию струн с математическим аппаратом теории поля.

Наша теория поля была далека от совершенства, хотя точно воспроизводила всю информацию, относящуюся к теории струн. Поскольку мы строили теорию поля, двигаясь в обратном порядке, многие симметрии остались неопределенными. К примеру, симметрии специальной теории относительности присутствовали, но в неявном виде. Требовалось поработать, чтобы упростить найденные нами уравнения поля. Но, едва мы начали исследовать свойства нашей теории поля, в модели вдруг обнаружился серьезный изъян.

В том году физик Клод Лавлейс из Университета Раджерса выяснил, что бозонная струна (описывающая целочисленные спины) самосогласована только в 26 измерениях. Другие ученые подтвердили этот результат и продемонстрировали, что суперструна (описывающая и целочисленные, и половинные спины) самосогласована только в десяти измерениях. Вскоре выяснилось, что в других количествах измерений, отличных от 10 и 26, теория полностью теряет все свои прекрасные математические свойства. Но никто не верил, что теория, определенная для 10 или 26 измерений, имеет хоть какое-нибудь отношение к действительности. Исследования теории струн внезапно замерли. Подобно теории Калуцы-Клейна, теория струн впала в глубокий анабиоз. На десять долгих лет эта модель оказалась прочно забытой. (Большинство ученых, и я в том числе, бросили эту модель, словно тонущий корабль, однако несколько упрямцев, таких как физики Джон Шварц и покойный Жоэль Шерк, пытались удержать ее на плаву и продолжали неуклонно совершенствовать. К примеру, первоначально струнная теория считалась применимой лишь к сильным взаимодействиям с режимами колебаний, соответствующими резонансу кварковой модели. Шварц и Шерк убедительно доказали, что струнная модель действительно является объединяющей теорией для всех взаимодействий, а не только для сильных.)

Исследования в области квантовой гравитации двинулись в другом направлении. В 1974–1984 гг., пока теория струн пребывала в забвении, исследование ряда альтернативных теорий квантовой гравитации с успехом продолжалось. В этот период исходная теория Калуцы-Клейна, а затем и теория супергравитации пользовались огромной популярностью, но со временем изъяны данных моделей тоже стали очевидными. К примеру, было доказано, что и теория Калуцы-Клейна, и теория супергравитации неперенормируемы.

А затем в том же десятилетии произошло нечто странное. С одной стороны, физиков начал раздражать растущий список моделей, опробованных и отвергнутых за этот период. Одну за другой их признавали неудачными. Постепенно становилось ясно, что теории Калуцы-Клейна и супергравитации в принципе указывают верный путь, но сами по себе недостаточно совершенны, чтобы разрешить проблему неперенормируемости. И единственной теорией, достаточно сложной, чтобы охватить и теорию Калуцы-Клейна, и теорию супергравитации, оставалась теория суперструн. С другой стороны, физики постепенно привыкали работать с гиперпространством. Благодаря возрождению теории Калуцы-Клейна идея гиперпространства теперь уже не казалась надуманной или запретной. Со временем даже теория, определенная в 26 измерениях, перестала выглядеть чем-то из ряда вон выходящим. Изначальное сопротивление этим 26 измерениям со временем сошло на нет.

И наконец, когда в 1984 г. Грин и Шварц доказали, что теория суперструн — единственная самосогласованная теория квантовой гравитации, начался бум. В 1985 г. Эдвард Виттен добился значительного прогресса в струнной теории поля, которую многие считают одним из прекраснейших достижений теоретической физики. Он доказал, что наша давняя теория поля может быть выведена с применением эффективных математических и геометрических теорем (заимствованных из так называемой теории гомологии ) в полностью релятивистской форме.

Благодаря новой теории Виттена открылась истинная математическая элегантность струнной теории поля, которой не было видно за нашими формулами. Сразу же появились сотни научных статей, в которых рассматривались поразительные математические свойства теории поля Виттена^[83].