Физики, пытающиеся лучше понять квантовую гравитацию, наткнулись на нечто неожиданное: определяющие признаки теории струн.

Представьте, что вы нарезаете яблоко на все более мелкие кусочки. Сначала вы доберетесь до молекул, затем до атомов и, наконец, до субатомных частиц внутри них, включая протоны, кварки и глюоны. Однако, согласно теории струн, природа может быть устроена еще сложнее. На масштабах, намного меньших, чем протон, Вселенная может состоять из крошечных вибрирующих струн.

Теория струн, разработанная в 1960-х годах, пытается решить одну из самых сложных нерешенных проблем физики: объединить квантовую механику с общей теорией относительности. Квантовая механика объясняет поведение материи и энергии на чрезвычайно малых масштабах, а общая теория относительности описывает гравитацию и структуру космоса на самых больших масштабах. На протяжении десятилетий физики пытались объединить эти две теории, но при квантово-механическом описании гравитации математический аппарат дает сбой.

Теория струн предлагает возможное решение, заменяя точечные частицы микроскопическими струнами. Различные вибрации этих струн порождают все известные частицы, в том числе гравитон — гипотетическую частицу, которая, как считается, переносит гравитацию. Теория также предсказывает существование по меньшей мере 10 измерений, а не четырёх, с которыми человек сталкивается в повседневной жизни.

Одна из самых сложных задач — непосредственная проверка этой теории. Энергии, необходимые для экспериментального изучения струн, настолько велики, что исследователям понадобился бы ускоритель частиц размером примерно с галактику.

Новый подход к теории струн с использованием метода начальной загрузки

Не имея возможности напрямую проверить теорию струн, физики прибегают к альтернативным методам. Одна из набирающих популярность стратегий известна как метод начальной загрузки. Вместо того чтобы отталкиваться от полной теории, ученые начинают с нескольких общих предположений о том, как должна вести себя природа, и смотрят, какие математические структуры из этого вытекают.

В новой статье под названием «Струны из почти ничего», принятой к публикации в журналеPhysical Review Letters, исследователи из Калифорнийского технологического института, Нью-Йоркского университета и Института физики высоких энергий в Барселоне использовали этот метод для изучения взаимодействия частиц при чрезвычайно высоких энергиях. Опираясь всего на несколько предположений о характере рассеяния, они неожиданно восстановили основные черты теории струн.

«Струны просто выпали из уравнения, — говорит Клиффорд Чунг, профессор теоретической физики и директор Форума теоретической физики имени Лейнвебера в Калифорнийском технологическом институте. — Мы вообще не делали никаких предположений о струнах, но в результате получили решение, содержащее основные признаки струн».

Чунг объясняет, что эта работа не является экспериментальным доказательством теории струн, но результат все равно важен, поскольку исходные предположения могли привести к множеству возможных математических результатов. Однако уравнения привели к уникальной структуре, соответствующей теории струн.

Бесконечный спектр частиц

Одна из наиболее важных выявленных закономерностей называется струнным спектром. В конце 1960-х годов итальянский физик Габриэле Венециано из ЦЕРН открыл математическую функцию, описывающую, казалось бы, бесконечную последовательность частиц, возникающих в ходе экспериментов на коллайдере. Эти частицы располагались упорядоченно, их массы и спины неуклонно увеличивались.

«Во времена Венециано на коллайдерах частиц при столкновениях образовывался целый фейерверк частиц разных масс. Это было поразительно, и никто не понимал, что происходит. Венециано записал функцию, описывающую все массы, и обнаружил бесконечную цепочку частиц», — рассказывает Чунг.

Позже ученые поняли, что этот спектр частиц напоминает гармонические колебания музыкальной струны. Например, струна скрипки издает основную ноту и ряд высших гармоник. Теория струн предполагает, что частицы возникают в результате подобных колебательных процессов.

Связь между теорией струн и гравитацией стала более очевидной в 1974 году, когда физик из Калифорнийского технологического института Джон Шварц и французский физик Жоэль Шерк поняли, что эта теория естественным образом включает в себя гравитацию.

«Как и все физики-ядерщики того времени, мы не интересовались гравитацией. В отличие от общей теории относительности Эйнштейна, которая работает только при низких энергиях, теория струн хорошо себя зарекомендовала при очень высоких энергиях. Поэтому, несмотря на то, что многое еще оставалось непонятным, мы были в восторге от того, что какая-то версия теории струн может стать единой квантовой теорией всего, — говорит Шварц.

В теории струн каждой колебательной моде соответствует отдельная частица. Фотон может испускаться открытой струной, колеблющейся в основной моде, а гравитон может испускаться закрытой струной, колеблющейся аналогичным образом.

Почему квантовая гравитация становится нестабильной

Новое исследование было посвящено амплитудам рассеяния — математическим инструментам, используемым для прогнозирования результатов столкновений частиц. При чрезвычайно высоких энергиях, близких к планковским, расчеты, основанные на общей теории относительности, начинают давать бесконечно большие значения, не имеющие физического смысла.

«Если взять общую теорию относительности и применить ее к рассеянию при очень высоких энергиях на так называемом планковском масштабе — то есть примерно на 19 порядков выше массы протона, — то результат будет бессмысленным. Все полностью разрушается», — говорит Чунг.

Теория струн позволяет избежать этой проблемы благодаря свойству, называемому ультрамягкостью. При очень высоких энергиях взаимодействия становятся более плавными и менее интенсивными, что предотвращает расхождение уравнений в бесконечность.

«В рамках теории струн при увеличении энергии, передаваемой между частицами, вероятность их столкновения резко снижается. Как будто частицы не хотят сталкиваться друг с другом, а предпочитают свободно проходить мимо, — говорит Чунг. — Амплитуды рассеяния не стремятся к бесконечности. Это более предсказуемый процесс».

Исследователи использовали это сверхмягкое поведение в качестве одного из основных допущений. Они также предположили наличие свойства, называемого «минимальными нулями», которое ограничивает количество особых точек, в которых вероятность рассеяния равна нулю.

«Примечательно, что для согласованности необходимо, чтобы амплитуды рассеяния не только взаимодействовали, но и не взаимодействовали в особых кинематических точках, называемых «нулями». Гипотеза о «минимальных нулях» требует, чтобы таких точек, в которых вероятность равна нулю, было как можно меньше, насколько это математически возможно», — говорит Чунг.

Опираясь только на эти предположения, исследователи математически доказали, что полученные решения естественным образом воспроизводят основные черты теории струн, в том числе характерный для нее спектр частиц и силу их взаимодействия.

«Точные детали теории струн возникли сами собой, в том числе бесконечная череда массивных вращающихся частиц, которые образуют «гармоники» струны, чем и знаменита эта теория», — говорит соавтор исследования Грант Н. Реммен (выпуск 2017 года), постдокторант Нью-Йоркского университета.

Возрождение старой физической идеи

Чунг сравнивает метод бутстрапа с решением головоломки судоку. Исследователи начинают с нескольких правил и ищут единственное решение, которое удовлетворяет всем условиям.

«Ирония в том, что идея бутстрапа, которую мы сейчас развиваем с помощью современных инструментов и идей, очень старомодна. Это старая идея, — объясняет Чунг. — К аналогичному подходу сводились и первоначальное открытие спектра Венециано, и работа Джона Шварца». Они не начинали с моделей теории струн, а скорее отталкивались от базовых принципов.

Чунг также отдает должное первопроходцам в области бутстрап-метода, в том числе физику из Калифорнийского технологического института Стивену Фраучи и физику из Калифорнийского университета в Беркли Джеффри Чу. В 1960-х годах они разработали бутстрап-методы в физике элементарных частиц и обнаружили первые признаки существования того самого бесконечного спектра частиц, который позже связали с теорией струн.

«Идея бутстрапа устарела, но теперь такие люди, как Клифф, возрождают и модернизируют ее, — говорит Хироси Оогури, профессор теоретической физики и математики Калифорнийского технологического института, а также заведующий кафедрой физики, математики и астрономии имени Кента и Джойс Креса. — Теперь у нас есть более четкое понимание основных допущений, которые мы можем сделать, а также более эффективные методы преобразования этих допущений в свойства амплитуд рассеяния и других наблюдаемых величин».