Почему Теория Струн - это и мечта, и кошмар? (5 фото + 1 видео)

В течение, возможно, последних 35 лет теория струн была доминирующей идеей в теоретической физике элементарных частиц, из которой проистекало больше научных работ, чем из любой другой концепции. И все же за все это время она не дала ни одного проверяемого прогноза, что заставило многих порицать, что эта теория даже не может считаться научной. Поэтому теория струн одновременно является одной из лучших идей во всей истории теоретической физики и одним из наших самых больших разочарований. И вот почему!

История начинается в конце 1960-х годов, когда только начинался расцвет ускорителей частиц. После открытия антипротона в 1950-х годах начали конструировать более крупные и энергичные ускорители частиц, что привело к появлению огромного набора новых частиц, которые возникали в результате столкновения одних заряженных частиц с другими заряженными частицами. Вновь обнаруженные частицы оказались трех типов:

- барионы, такие как протон, нейтрон и их более тяжелые родственники,

- антибарионы, такие как антипротон, антинейтрон и более тяжелые, которые соотносятся 1 к 1 с барионами,

- и мезоны, которые обнаруживались различных масс и продолжительности жизни, но все они были нестабильны и быстро распадались.

Но одна интересная вещь, которую следует отметить, заключалась в том, что мезоны перед распадом походили по свойствам на стержневые магниты. Если вы сломаете стержневой магнит (с северным и южным полюсом), вы не получите независимый северный и южный полюс, а два новых магнита, каждый со своим собственным северным и южным полюсами. Точно так же, если вы попытаетесь разорвать мезон на части, в конечном итоге он «сломается», создав в процессе два отдельных мезона.

Ландшафт теории струн увлекателен и полон теоретического потенциала, но не дает объяснения, почему значение таких точного параметров, как космологическая постоянная, начальная скорость расширения или общая плотность энергии, имеют конкретные значения

Но примерно через десять лет эта идея переродилась в то, что сейчас известно как современная теория струн. Вместо того чтобы работать в энергетических масштабах, где ядерные взаимодействия важны, была выдвинута идея о том, чтобы использовать энергетический масштаб вплоть до энергии Планка, где частица спина 2, которая не имела смысла, могла теперь играть роль гравитона: несущей силу частицы, ответственной за квантовую теорию гравитации. Эта частица со спином 1 может быть фотоном, а другие возбужденные состояния могут быть связаны с известными частицами Стандартной модели.

Внезапно, долгожданные мечты, оказались в пределах досягаемости в этой новой структуре. С одной стороны, теория струн неожиданно сделала вероятным, что стандартную модель частиц и взаимодействий можно согласовать с общей теорией относительности. Рассматривая каждую из элементарных частиц как открытую или закрытую струну, которая вибрирует на определенных, уникальных частотах, и фундаментальные константы природы как различные состояния вакуума в теории струн, физики могли наконец надеяться объединить все фундаментальные силы вместе.

Но то, что вы получаете из теории струн, не так просто, как описанное. Вы получаете не просто стандартную модель и общую относительность, а нечто гораздо большее, более грандиозное, содержащее как стандартную модель, так и общую относительность, но также и многое другое.

Диаграммы Фейнмана (вверху) основаны на точечных частицах и их взаимодействиях. Преобразование их в аналог теории струн (внизу) дает поверхности, которые могут иметь нетривиальную кривизну

С одной стороны, теория струн не просто содержит Стандартную модель в качестве предела низких энергий, но калибровочную теорию, известную как N = 4 суперсимметричная теория Янга-Миллса. Как правило, суперсимметрия, о которой вы слышите, включает частицы суперпартнера для каждой частицы, существующей в Стандартной модели, которая является примером N = 1 суперсимметрии. Теория струн, даже в низкоэнергетическом пределе, требует гораздо большей степени симметрии, чем даже эта, что означает, что должно возникать низкоэнергетическое предвычисление суперпартнеров. Тот факт, что мы обнаружили ровно 0 суперсимметричных частиц даже при энергиях LHC, является огромным разочарованием для теории струн.

С другой стороны, теория струн, даже в «только» 10 измерениях, не дает вам общей теории относительности в качестве теории гравитации, а скорее представляет собой 10-мерную теорию гравитации Бранса-Дике. Из этого можно получить общую относительность, но только если взять константу связи Бранса-Дика (ω) в бесконечности и каким-то образом удалите 6 из этих измерений.

Частицы Стандартной модели и их суперсимметричные аналоги. Но если суперсимметрии не обнаружится при всех энергиях, то теория струн ошибочна

Если вы когда-либо слышали термин «компактификация», используемое в контексте теории струн, от оно означает именно следующее: допустить игнорирующее предположение, что каким-то образом эти дополнительные измерения и этот дополнительный параметр (ω) становятся малозначительными. Теория струн сама по себе не предлагает убедительного способа избавиться от этих дополнительных измерений или сделать параметр Бранса-Дике малозначительным. А он должен быть именно таким; оригинальная работа, которую выдвинули Бранс и Дик, предполагала, что ω около 5 может быть подходящим; современные тесты теории относительности показали, что этот параметр должен быть больше ~10000 или около того.

Теория струн также не говорит вам, какие значения должны иметь фундаментальные константы, поскольку она не предлагает никакого конкретного способа вычислить эти вакуумные струны, порождающие фундаментальные константы. Сюда входят c - скорость света, h - постоянная Планка, G - гравитационная постоянная, константы связи для сил, массы фундаментальных частиц, углы смешения кварков и нейтрино и космологическая постоянная. Теория струн не дает никаких подсказок для расчета этих фундаментальных значений.

Тем не менее, способность теории струн даже просто предложить возможную квантовую теорию гравитации привел в нее большинство физиков-теоретиков, а отсутствие твердых альтернатив удержало их в этой области физики. Несмотря на существование четырех альтернатив квантовой гравитации:

- петля квантовой гравитации;

- асимптотически безопасная гравитация;

- причинно-следственные динамические триангуляции;

- и энтропийная гравитация,

только теория струн законно предлагает истинный путь к «святому Граалю» физики, где вся Стандартная Модель объединена с гравитацией.

Тем не менее, это направление изобилует проблемами. Соответствие между вышеупомянутой N = 4 суперсимметричной теорией Янга-Миллса и струной в многомерном пространстве является одним из крупнейших теоретических прорывов в теории струн, и все же «пространство», которому оно соответствует, является пространством анти-де Ситтера (AdS), который предсказывает космологическую константу с неправильным знаком (отрицательный вместо положительного), чтобы согласовать ее с наблюдениями нашей Вселенной.

Будет ли расширение Вселенной ускоряться или замедляться, зависит не только от плотности энергии Вселенной (ρ), но также от давления (p) различных компонентов энергии. Теория струн предсказывает космологическую константу с отрицательным знаком

Тем не менее, есть большое количество людей, которых привлекает математическая привлекательность теории струн. Она объединяет концепции из квантовой теории поля, суперсимметрии, теории великого объединения, супергравитации, дополнительных измерений и общей теории относительности - все в одной структуре. Первоначально было предложено много разных теорий струн, но продвинутая математика показала, что все они эквивалентны или двойственны друг другу.

Тем не менее, на каждой итерации, когда мы пытаемся пронаблюдать информацию, которая может быть связана с теорией струн, в том смысле, в котором она выходит за рамки Стандартной модели, мы сталкиваемся ни с чем. Космологическая постоянная - неправильный знак. Суперсимметричных частиц нигде не найти. Дополнительные измерения или бесконечный параметр Бранса-Дике не имеют доказательств, подтверждающих их. И фундаментальные константы, а также массы частиц, которые существуют в нашей Вселенной, не были успешно предсказаны.

Проблема, как многие видят, состоит в том, что теория струн была слишком хорошей идеей, и людям трудно отказаться от хороших идей, какими бы бесполезными они ни были. Несмотря на то, что она не работала как теория сильных взаимодействий, она дала начало тому, что могло бы стать святым Граалем современной физики: теорией квантовой гравитации, которая объединяет общую теорию относительности со Стандартной моделью.

Но пока у нас нет доказательств того, что теория струн должна быть неверной, люди продолжат ее использовать. Но для ее опровержения потребовалось бы что-то вроде демонстрации того, что суперчастиц не существует полностью вплоть до масштаба Планка, что сегодня далеко за пределами досягаемости экспериментальной физики.

Мы все можем согласиться с тем, что теория струн интересна своими возможностями. Насколько эти возможности актуальны или значимы для нашей Вселенной, наука еще не подтвердила.