То, какую частицу реально порождает струна, зависит от энергии струны и от точных колебательных мод, которые возбуждены. Моды струны похожи на резонансные моды скрипичной струны. Вы можете рассматривать колебания как элементарные единицы, которые можно комбинировать, образуя все известные частицы. На этом языке частицы — это аккорды, а их взаимодействия — это гармонии. Струна в теории струн не всегда порождает все частицы, так же как скрипичная струна не издает никакого звука, пока по ней не проведут смычком. Но так же как смычок возбуждает моды скрипки, энергия возбуждает моды струны. И если струна обладает достаточной энергией, она произведет разные типы частиц.
Как для открытой, так и для замкнутой струн резонансные моды — это те, колебания которых укладываются целое число раз вдоль длины струны. Несколько таких мод показано на рис. 68. Для этих мод волны колеблются вверх и вниз некоторое число раз и при этом все колебания полностью завершаются на длине струны. Для открытой струны волны ударяются о конец струны и поворачивают в противоположную сторону, продолжая бегать вперед и назад, а волны на замкнутых струнах колеблются вверх и вниз при распространении вдоль замкнутой петли. Любые другие волны, для которых на длине струны не умещается целое число колебаний, не возникают.
В конце концов, точный способ, которым колеблется струна, определяет все свойства частицы, такие как ее масса, спин и заряд. В общем случае будет существовать много копий частиц с тем же спином и зарядом, но с разными массами. Так как число таких мод бесконечно, отдельная струна может породить бесконечное число тяжелых частиц. Известные частицы, которые сравнительно легки, возникают от струн, совершающих самые слабые колебания. Модой без колебаний может быть знакомая легкая частица, например обычный кварк или лептон. Но струна большой энергии может колебаться многими способами, поэтому теория струн различается по самым тяжелым частицам, которые возникают от наивысших колебательных мод.
Однако большее количество колебаний требует больше энергии. Дополнительные частицы в теории струн, возникающие от большего числа колебаний, похоже, должны быть чрезвычайно тяжелыми — чтобы их породить, необходимо колоссальное количество энергии. Таким образом, даже если теория струн верна, ее новые следствия, похоже, будет очень трудно детектировать. Так как мы не ожидаем рождения любой из новых тяжелых частиц при доступных энергиях, мы полагаем, что теория струн и физика частиц приведут к одним и тем же наблюдаемым следствиям при тех энергиях, которые нам доступны. Такая картина может измениться, если окажутся верными некоторые из недавних достижений, касающиеся дополнительных измерений. Однако сейчас познакомимся с общепринятой картиной теории струн. Позднее мы займемся моделями с дополнительными измерениями.
Истоки теории струн
Ко времени Икара ХLII теория струн могла бы похвастаться довольно долгой историей. Но по научным соображениям мы ограничим нашу историю двадцатым и самым началом двадцать первого века. Мы сейчас рассматриваем теорию струн как теорию, которая могла бы объединить квантовую механику и гравитацию. Однако первоначально она имела совершенно иное приложение. Впервые теория возникла в 1968 году как попытка описать сильно взаимодействующие частицы, известные как адроны. Теория не была успешной; как мы видели в гл. 7, мы знаем теперь, что адроны состоят из кварков, удерживаемых вместе сильным взаимодействием. Тем не менее теория струн выжила, уже не как теория адронов, а как теория гравитации.
Несмотря на провал теории струн в описании адронов, мы можем кое-что узнать о хороших свойствах струнной теории гравитации, изучив несколько проблем, с которым столкнулась теория адронных струн. Примечательно, что провалы теории адронных струн оказались сильными сторонами (или, по крайней мере, не стали помехами) для струнной теории квантовой гравитации.
Первая проблема изначальной версии теории струн была в том, что теория содержала тахион. Поначалу ученые думали о тахионах как о частицах, движущихся со скоростью больше скорости света (термин произошел от греческого слова ταχύς, т. е. скорость). Но теперь мы знаем, что тахионы указывают на нестабильность в теории, которая их содержит. К сожалению для любителей научной фантастики, тахионы не являются реальными физическими частицами, существующими в природе. Если окажется, что ваша теория содержит тахион, вы неправильно ее проанализировали. Система, содержащая тахион, может (и должна) превратиться в родственную систему с меньшей энергией, в которой тахион отсутствует. Система, содержащая тахион, существует недостаточное время для того, чтобы возникли какие-то физические явления; это есть всего лишь свойство неправильного теоретического описания. Вам следует найти теоретическое описание родственной стабильной конфигурации без тахиона, прежде чем вы сможете идентифицировать истинные физические частицы и взаимодействия. До тех пор пока система содержит такую конфигурацию, ваша теория неполна.
Теория струн с тахионом казалась не имеющей смысла. Но никто не знал, как сформулировать теорию, чтобы исключить его. Это означало, что предсказания теории струн, в том числе для частиц, отличных от тахиона, были недостоверны. Вы можете подумать, что это дает достаточные основания отвергнуть адронную теорию струн. Но физики продолжали надеяться, что тахион не был реальным; некоторые думали, что это была проблема математических приближений, которые делались при формулировке теории, но это было маловероятно.
Однако Рамон, Невье и Шварц открыли альтернативную суперсимметричную версию струны — суперструну. Критически важное преимущество теории суперструн перед первоначальной версией теории струн состояло в том, что она содержала частицы спина 1/2, что дает потенциальную возможность описания фермионов Стандартной модели, таких как электрон и разные типы кварков. Но дополнительным бонусом теории суперструн было то, что она не содержала тахионы, которые так отравляли первоначальную версию теории струн. Теория суперструн, выглядевшая в любом случае более обещающей, не содержала тахионной нестабильности, которая могла бы помешать прогрессу теории.
Вторая проблема исходной теории адронных струн заключалась в том, что она содержала безмассовую частицу спина 2. Расчеты показали, что исключить эту частицу невозможно, но ни один экспериментатор никогда не наблюдал такую вредную частицу. Поскольку экспериментаторы должны были наблюдать любую безмассовую частицу, взаимодействующую так же сильно, как адрон, казалось, что адронная теория струн столкнулась с неприятностями.
Шерк и Шварц повернули теорию струн с ног на голову, показав, что «плохая» частица спина 2, мешающая адронной теории струн, могла на самом стать венцом струнной теории гравитации; частица спина 2 могла на самом деле быть гравитоном. Они доказали, что частица со спином 2 ведет себя так, как должен себя вести гравитон. Решающее наблюдение, что теория струн содержит кандидата на роль гравитона, сделало теорию струн потенциальной квантовой теорией гравитации. При описании на языке частиц никто не мог понять, как сформулировать согласованную теорию гравитации, которая работала бы при всех энергиях. В то же время описание на языке теории струн выглядело так, что этот фокус казался возможным.
Было и другое указание на то, что хотя теория адронных струн не работала, Шерк и Шварц могли быть на правильном пути к гравитационной теории струн. Как мы видели в гл. 7, Фридман, Кендалл и Тейлор из Станфордского ускорительного центра (SLAC) показали, что электроны удивительным образом рассеиваются на нуклонах, неявным образом демонстрируя существование внутри нуклонов твердых точечноподобных объектов, а именно, кварков. По духу этот эксперимент был аналогичен описанному в гл. 6 эксперименту Резерфорда по рассеянию. Поразительные результаты опыта по рассеянию в том случае указывали на существование твердого атомного ядра, а в этом случае — на существование внутри нуклона точечноподобных кварков, а не ворсистых протяженных струн.
Итак, предсказания теории струн не согласовывались с результатами эксперимента в SLAC. Струны никогда не могли бы привести к сильному рассеянию, причиной которого мог быть только жесткий компактный объект. Так как в любой данный момент времени взаимодействуют только кусочки струн, струны в целом сталкиваются более мягко. Такое спокойное, сравнительно слабое рассеяние было похоронным звоном для теории адронных струн. Но с точки зрения квантовой гравитации это выглядело многообещающим свойством.
В рамках корпускулярной теории гравитона эта частица взаимодействует при высоких энергиях слишком сильно. Более подходящей была бы теория, в рамках которой энергичные гравитоны не взаимодействовали бы столь яростно. Именно это и имело место в струнной теории гравитации. Теория струн, заменяющая точечноподобные частицы на протяженные струны, гарантирует, что гравитон взаимодействует при высоких энергиях существенно менее сильно. У струн, в противоположность кваркам, нет жестких процессов рассеяния. Их взаимодействия более «кашеподобные» и происходят в более протяженной области. Такое свойство означает, что теория струн может потенциально решить проблему удивительно сильной вероятности взаимодействия гравитона и правильно предсказать взаимодействия гравитона при больших энергиях. Более мягкие соударения струн при больших энергиях могли быть важным указанием на то, что струнная теория гравитации может оказаться правильной.
