• 5

Теория струн как теория объединения

Теория струн является прекрасной платформой для объединения форма-

лизмов всех четырех фундаментальных физических взаимодействий. Она

по праву считается одним из прототипов окончательной Теории Всего. В

рамках теории струн унификация фундаментальных взаимодействий не

вызывает сомнений в силу применения одного, общего для всех геомет-

рического формализма. Естественно, теория струнэто квантованная

теория, включающая квантованную теорию гравитации. Речь идет о том,

что объединения электрослабого и сильного взаимодействий достаточно,

для того чтобы сформулировать убедительную квантовую теорию грави-

тации в рамках теории струн. Причем перед лицом очевидных проблем

эмпирического обнаружения квантовых эффектов гравитации струнная

теория квантовой гравитации предоставляет возможность проверки пред-

сказаний о «поведении» других взаимодействий!

Таким образом, не нарушая общности, можно утверждать, что теория

струн является одним из вариантов квантовой теории гравитации. Однако

почему мы должны быть уверены в том, что теория струнэто реальный

кандидат на окончательную теорию? Ответ прост. В теории струн каждая

элементарная частица определяется как частный случай «колебания» од-

ного по-настоящему элементарного микрообъектаструны (по аналогии

с музыкальным инструментом: различные режимы колебания (с различ-

ной амплитудой) струны приводят к различным издаваемым звукам). На-

пример, одно из возможных «колебаний» может порождать гравитон

квант гравитационного поля. В то же время фундаментальным геометри-

ческим объектом для всех частиц является одна и та же струна, т. е. как

следствие теория струн описывает все элементарные частицы или взаи-

модействия на основе одной моделиструны. Например_, говоря о про-

цессе распада a b g d , мы уверены, что частица a распадается на

частицы b , g и d (нейтрон распадается на протон, электрон и элек-

тронное нейтрино), однако в рамках теории струн это будет означать, что

струна, «колебание» которой соответствует частице a , «распалась» на

другие элементарные струны, «колебания» которых дают частицы b , g

и d .

Существуют также другие аргументы в пользу того, что теория струн

есть окончательная Теория Всего. Во-первых, отсутствие свободных па-

раметров (в Стандартной Модели их порядка 20). Естественно, теория со

свободными параметрами не может претендовать на роль окончательной:

задав различные параметры, мы будем получать различные теории с по-

тенциально различными предсказаниями. Фактически в рамках Стан-

дартной Модели мы имеем дело скорее с «набором» моделей, а не с еди-

ной теорией (в то же время в рамках теории струн все же есть один пара-

метрдлина струны s l ). Во-вторых, мерность пространства-времени со-

бытий в теории струн четко ограничена. Окружающее нас пространство

четырехмерно. Стандартная Модель оставляет этот вопрос без внимания.

Однако в теории струн число измерения является результатом вычисле-

ний, причем часть измерений «свернута» и не поддается эксперименталь-

ной регистрации при низких энергиях, а часть из них (четыре) «разверну-

та» и образует известный нам четырехмерный континуум Минковского.

Поскольку теория струнэто в первую очередь математическая тео-

рия, более важным является вопрос о том, сколько может быть теорий

струн. В настоящее время можно выделить два основных направления

построения теорий. Одно из них обращает внимание на то, что струны

могут быть «открытыми» (две конечные точки) и «закрытыми» (струна

замкнута), причем мы можем также рассматривать теории и с «открыты-

ми», и с «закрытыми» струнами (как правило, теории только с «открыты-

ми» струнами не рассматриваются, поскольку они могут «замыкаться»).

Другое направлениеэто разделение бозонных струнных теорий и су-

перструнных теорий. Теория бозонных струн строится в 26-мерном про-

странстве, где различные «вибрации» струны порождают бозоны. По-

скольку эта теория не рассматривает фермионы, ее нельзя назвать в числе

основных претендентов, однако она намного проще, чем теория супер-

струн, и также позволяет объяснить основные моменты описания взаимо-

действия всех четырех фундаментальных физических взаимодействий.

Теория суперструн строится в 10-мерном пространстве и включает опи-

сание и бозонов, и фермионов, которые связаны одной суперсимметрией.

Таким образом, теория суперструнэто, скорее, одна из возможных реа-

лизаций более общей теориитеории суперсимметрии. В настоящее вре-

мя все более или менее правдоподобные модели физических частиц и

взаимодействий основаны на теории суперструн. Например, гравитон

есть специфический режим «колебания» «закрытой» суперструны.

К середине 1980-х гг. было разработано уже пять суперструнных тео-

рий. К началу 1990-х гг. Эдвард Виттен и ряд других физиков-теоретиков

обнаружили веские доказательства того, что различные суперструнные

теории представляют собой различные предельные случаи не разработан-

ной пока 11-мерной теории. В 1995 г. Виттен, на теперь уже эпохальной

конференции в Лос-Анджелесе назвал ее М-теорией. Считается, что все

пять суперструнных теорий связаны между собой, как если бы они были

частными случаями одной фундаментальной теории. Эти теории связаны

преобразованиями, называемыми дуальностями. Если две теории связаны

между собой преобразованием дуальности (дуальным преобразованием),

это означает, что первую из них можно преобразовать некоторым обра-

зом, так что один из ее пределов будет иметь вид второй из этих теорий.

Более того, дуальности связывают величины, которые ранее считались

принципиально различными, например, большие и малые масштабы, ко-

торые всегда считались совершенно четкими пределами поведения физи-

ческих систем как в классической теории поля, так и в квантовой.

Строго и технически говоря, М-теорияэто неизвестная 11-мерная

теория, нижним энергетическим пределом которой является теория су-

пергравитации, «объединяющая» различными дуальными связями все

известные 10-мерные теории суперструн. Однако многие используют этот

термин для обозначения неизвестной теории, которая, как считается, яв-

ляется более фундаментальной и специальным пределом которой являют-

ся суперструнные теории. До сих пор неизвестно, что это за фундамен-

тальная теория, «стоящая за спиной» у теории струн. По мнению Виттена,

«исходя из всех соотношений это должна быть очень интересная и бога-

тая теория, у которой масштабы расстояний, сила связей и даже число

измерений не фиксировано, а может изменяться в зависимости от нашей

точки зрения».

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я