Физики обнаружили теорию струн без целенаправенного поиска

Физики, стремясь глубже понять квантовую гравитацию, неожиданно выявили характерные признаки теории струн, не исходя из предположений о её существовании.

Теория струн, разработанная в 1960-х годах, пытается объединить квантовую механику и общую теорию относительности — два фундаментальных, но несовместимых на данный момент раздела физики. Квантовая механика описывает поведение материи и энергии на микроскопическом уровне, тогда как общая теория относительности объясняет гравитацию и структуру Вселенной в масштабах космоса. Традиционные математические методы не позволяют объединить эти теории, так как при квантовом рассмотрении гравитации возникают математические расходимости.

В теории струн точечные частицы заменяются крошечными вибрирующими струнами, чьи различные колебания соответствуют всем известным частицам, включая гипотетический гравитон — носитель гравитационного взаимодействия. Теория также предполагает существование как минимум десяти измерений, в отличие от привычных четырёх.

Новый подход бутстрэп к теории струн

Поскольку прямое экспериментальное подтверждение теории струн невозможно из-за колоссальных энергий, необходимых для исследования струны (приблизительно масштаба галактики), учёные применяют альтернативные методы. Один из них — бутстрэп-подход, при котором исходят из общих предположений о поведении природы и анализируют, какие математические структуры при этом возникают.

В статье «Strings from Almost Nothing», принятой к публикации в Physical Review Letters, исследователи из Калтеха, Нью-Йоркского университета и Института физики высоких энергий в Барселоне применили этот метод к изучению взаимодействий частиц при экстремально высоких энергиях. Начав с минимального набора предположений о поведении рассеяния, они неожиданно получили ключевые характеристики теории струн.

«Струны просто возникли из уравнений», — отмечает Клиффорд Чеунг, профессор теоретической физики и директор форума по теоретической физике Лейнвебера в Калтехе. — «Мы не вводили никаких предположений о струнах, но решение включало их основные признаки».

Бесконечный спектр частиц

Одним из важных открытий стал так называемый спектр струн. В конце 1960-х итальянский физик Габриэле Венецано из CERN обнаружил математическую функцию, описывающую бесконечную последовательность частиц, возникающих в коллайдерах. Эти частицы образовывали упорядоченную серию с возрастающими массами и спинами.

«Во времена Венецано в коллайдерах наблюдали множество частиц с разными массами, и никто не понимал, что это значит. Венецано вывел функцию, описывающую все массы, что выявило бесконечную башню частиц», — рассказывает Чеунг.

Позже учёные поняли, что этот спектр напоминает гармонические колебания музыкальной струны, например, скрипичной. В теории струн частицы возникают из аналогичных вибрационных паттернов.

Связь теории струн с гравитацией стала яснее в 1974 году, когда физики Джон Шварц из Калтеха и Жоэль Шерк из Франции установили, что теория естественным образом включает гравитацию.

«Как и все физики того времени, мы изначально не интересовались гравитацией. Теории струн хорошо себя ведут при очень высоких энергиях, в отличие от общей теории относительности Эйнштейна, которая работает как приближение при низких энергиях. Несмотря на многое непонятное, нас радовало, что теория струн может стать объединённой квантовой теорией всего», — говорит Шварц.

В теории струн каждый режим вибрации соответствует отдельной частице: например, фотон может возникать из открытой струны в основном режиме, а гравитон — из замкнутой струны с похожей вибрацией.

Почему квантовая гравитация нестабильна

В новом исследовании учёные сосредоточились на амплитудах рассеяния — математических инструментах для предсказания результатов столкновений частиц. При энергиях, близких к планковской шкале, расчёты на основе общей теории относительности дают бесконечности, не имеющие физического смысла.

«Если взять общую теорию относительности и рассчитать рассеяние при очень высоких энергиях, примерно на 19 порядков выше массы протона, результат становится бессмысленным, всё ломается», — объясняет Чеунг.

Теория струн избегает этой проблемы благодаря свойству ультрамягкости: при высоких энергиях взаимодействия становятся более плавными и менее резкими, что предотвращает расходимость уравнений в бесконечность.

«В рамках теории струн с ростом энергии вероятность рассеяния резко падает. Частицы словно не хотят сталкиваться, а проходят друг через друга свободно. Амплитуды рассеяния не стремятся к бесконечности, поведение становится более устойчивым», — говорит Чеунг.

Исследователи использовали ультрамягкость как одно из основных предположений. Кроме того, они ввели концепцию «минимальных нулей» — ограничения на количество точек, в которых вероятность рассеяния равна нулю.

«Удивительно, но для согласованности амплитуды рассеяния должны не только взаимодействовать, но и не взаимодействовать в специальных кинематических точках, называемых нулями. Предположение о минимальных нулях требует минимально возможного количества таких точек, допускаемых уравнениями», — поясняет Чеунг.

Исходя из этих предположений, учёные показали математически, что полученные решения автоматически воспроизводят ключевые черты теории струн, включая её характерный спектр частиц и силы взаимодействий.

«Точные детали теории струн возникли сами собой, включая бесконечную башню массивных частиц со спином, которые формируют гармоники струн, известные в теории», — добавляет соавтор Грант Реммен, постдок Нью-Йоркского университета.

Возрождение старой идеи в физике

Чеунг сравнивает бутстрэп-метод с решением судоку, где из нескольких правил ищут единственное решение, удовлетворяющее всем условиям.

«Ирония в том, что бутстрэп — это очень старая идея, которую мы сейчас реализуем с современными инструментами и идеями», — говорит он. — «Открытие спектра Венецано и работа Джона Шварца шли по похожему пути: они не начинали с моделей теории струн, а решения возникали из базовых принципов».

Чеунг также отмечает заслуги пионеров бутстрэп-концепции, таких как Стивен Фраутши из Калтеха и Джеффри Чью из Калифорнийского университета в Беркли. В 1960-х они разработали методы бутстрэп в физике частиц и обнаружили ранние признаки бесконечного спектра частиц, позднее связанного с теорией струн.

«Идея бутстрэп была забыта, но теперь её возрождают и модернизируют учёные, включая Клиффа», — говорит Хироси Оогури, профессор теоретической физики и математики в Калтехе. — «Сегодня мы лучше понимаем базовые предположения и обладаем более мощными методами для их преобразования в свойства амплитуд рассеяния и других наблюдаемых величин».

Исследование «Strings from almost nothing» выполнено Клиффордом Чеунгом, Грантом Ремменом, Франческо Сиотти и Микеле Таркуини и принято к публикации в Physical Review Letters (DOI: 10.1103/cw4p-cqh7). Работа поддержана Министерством энергетики США, Институтом теоретической физики Уолтера Бёрка, форумом Лейнвебера, стипендией Джеймса Артура в Нью-Йоркском университете и программой Next Generation EU. Среди соавторов также Франческо Сиотти из Института физики высоких энергий в Барселоне и Микеле Таркуини, аспирант Калтеха.