1.2 Струнная теория как унифицированная теория
физики
Струнная
теория - это замечательный кандидат на унифицированную теорию всех сил в
природе. Она также является
довольно впечатляющим прототипом полной теории физики. В струнной теории все
силы действительно объединены глубоким и значительным способом. В действительности,
все частицы являются едиными. Струнная теория есть квантовая теория и, т. к.
она включает гравитацию, она является квантовой теорией гравитации. Рассматривая
с этой точки зрения и вспоминая невозможность ввести теорию Эйнштейна в квантовую
теорию, можно заключить, что в струнной теории все другие взаимодействия являются
необходимыми для непротиворечивости квантового гравитационного сектора! Хотя
может быть сложно измерить эффекты квантовой гравитации напрямую, теория квантовой
гравитации, такой, как струнная теория, может иметь проверяемые предсказания,
касающиеся других взаимодействий.
Почему струнная теория действительно унифицированная
теория? Причина в самом сердце теории. В струнной теории каждая
частица определяется, как отдельная колеблющаяся мода элементарной
микроскопической струны. Музыкальная аналогия является очень подходящей. В
точности как скрипичная струна может колебаться в различных модах и каждая мода
соответствует различному звуку, моды колебаний фундаментальной струны можно
рассматривать как различные частицы, которые нам знакомы. Одно из колеблющихся
состояний струны является гравитон, квант гравитационного поля. Так как
имеется только один тип струны, а все частицы возникают из вибраций струны, все
частицы естественно объединяются в одну теорию. Когда мы в струнной
теории представляем себе процесс распада α → β + γ,
в котором элементарная частица α распадается на частицы β
и γ, мы представляем одну струну, колеблющуюся таким образом, что
она идентифицируется как частица α, которая разламывается на две струны,
которые колеблются таким путем, что идентифицируются, как частицы β
и γ. Так как струны могут быть исключительно крошечными, может быть
весьма сложным наблюдать напрямую струнно-подобную природу частиц.
Мы уверены, что струнная теория является хорошей
квантовой теорией гравитации? Конечно, еще полной уверенности в этом нет, но
для этого есть хорошие признаки. Действительно, проблемы невычислимости или
отсутствия предсказуемости, которые возникали при попытках квантования теории
Эйнштейна, не появляются в струнной теории.
Ясно, что для столь амбициозной теории, как струнная
теория, некоторая степень уникальности является желательной. Довольно печально
иметь несколько непротиворечивых кандидатов на теорию всех взаимодействий.
Первым признаком того, что струнная теория является довольно уникальной,
является то, что она не имеет регулируемых безразмерных параметров. Как мы
упоминали ранее, Стандартная Модель физики частиц имеет примерно двадцать
параметров, которые должны быть установлены в некоторые точные значения.
Теория с нерегулируемыми безразмерными параметрами не является по настоящему
уникальной. Когда параметры устанавливаются в различные значения, то получаются
различные теории с, возможно, различными предсказаниями. Струнная теория
имеет один размерный параметр, струнную длину ℓS. Её значение можно грубо представлять, как типичный
размер струн.
Другим интригующим признаком уникальности струнной
теории является тот факт, что в ней размерность пространства-времени является
фиксированной. Наше физическое пространство-время четырехмерно, с одной
временной размерностью и тремя пространственными размерностями. В Стандартной
Модели эта информация используется для построения теории, но она не выводится.
С другой стороны, в струнной теории количество пространственно-временных
размерностей получается из вычислений. Ответ не равен четырем, а равен десяти.
Некоторые из этих размерностей могут пропадать из поля зрения, если они
свернуты в пространство, которое является достаточно малым, чтобы не проявлять
себя при экспериментах с низкими энергиями. Если струнная теория правильна,
некий механизм должен гарантировать, что наблюдаемая размерность
пространства-времени будет равна четырем.
Отсутствие
регулируемых безразмерных параметров является признаком уникальности струнной
теории: это означает, что теория не может быть деформирована или непрерывно
изменена путем изменения этих параметров. Но могут быть и другие теории,
которые нельзя получить непрерывными деформациями. Тогда сколько может быть
струнных теорий?
Давайте
начнем с замечания о двух главных подразделениях. Есть открытые струны и
замкнутые струны. Открытые струны имеют две конечные точки, а замкнутые струны
не имеют конечных точек. Можно рассматривать теории, в которых только замкнутые
струны, и теории, в которых изучаются и открытые, и замкнутые струны. Так как
открытые струны, вообще говоря, могут замыкаться и формировать замкнутые
струны, мы не рассматриваем теории, в которых имеются только открытые струны.
Второе подразделение – между бозонными струнными теориями и суперструнными
теориями. Бозонные струны живут в 26 измерениях и все их колебания представляют
бозоны. Так как в них нет фермионов, они не являются реалистичными. Однако, они
являются гораздо проще, чем суперструны, и большинство важных концепций в струнной
теории можно объяснить в контексте бозонных струн. Суперструны живут в
десятимерном пространстве-времени и их спектр состояний включает бозоны и
фермионы. В действительности, эти два набора частиц связаны суперсимметрией.
Поэтому, суперсимметрия является важной составляющей струнной теории. Все
реалистические модели струнной теории построены из суперструн. Во всех струнных
теориях гравитация является модой колебаний замкнутых струн. В струнной теории
гравитация является неизбежной.
Начиная с
середины 1980х годов было известно пять десятимерных суперструнных теорий. В
последующие годы было обнаружено много взаимосвязей между этими теориями. Более
того, была открыта другая теория, как некоторый предел сильного взаимодействия
одной из суперструнных теорий. Эта теория – одиннадцатимерная, и была названа
М-теорией, за недостатком лучшего имени. Сейчас ясно становится, что пять
суперструнных теорий и М-теория являются только разными гранями или различными
пределами единственной уникальной теории! Пока эта уникальная теория остается
полной тайной. Появляются менее обещающие бозонные струнные теории, не связанные
с сетью суперструнных теорий, но представление об этом может в будущем измениться.
В конце
концов, мы видим, что струнная теория является действительно унифицированной
и, возможно, уникальной теорией. Она является кандидатом на унифицированную
теорию физики, теорию, которую Альберт Эйнштейн пытался найти начиная еще
с его открытия теории общей относительности. Эйнштейн был бы удивлен, или,
может быть, смущен, выдающейся ролью, которую играет квантовая механика в
струнной теории. Но струнная теория появляется как достойный наследник общей
относительности. Можно с почти полной уверенностью сказать, что струнная
теория приведет к возникновению новой концепции пространства-времени. Выдающееся
положение квантовой механики не удивило бы Поля Дирака. Его статьи о квантовании
наводят на мысль, что он чувствовал, что из квантования классической физики
могут возникать глубокие квантовые теории. Это в точности то, что случилось
в струнной теории. Эта книга детально показывает, что струнная
теория, по крайней мере, в ее простейшей форме, является ничем иным, кроме,
как квантовой механикой классических релятивистских струн.