Страница 33 из 105
II
Краткая история теории струн
7
Подготовка к революции
Временами научный прогресс застревает, когда мы сталкиваемся с проблемой, которая просто не может быть решена на том пути, как мы ее понимаем. Имеется потерянный элемент, связанный с другим видом ухищрений. Не имеет значения, насколько тяжело мы работаем, мы не можем найти ответа, пока кто-то как-то не споткнется об эту потерянную связь.
Вероятно, первое время такое происходило с затмениями. Зафиксировав драму внезапного потемнения неба, первый способ действий ранних астрономов должен был заключаться в поиске пути предсказания таких устрашающих событий. Начиная с нескольких тысяч лет назад, люди начали собирать записи о наблюдениях затмений вместе с движениями Солнца, Луны и планет. Им долго не удавалось понять, что движение Солнца и Луны является периодическим; мы имеем доказательства, что люди знали это еще в наши пещерные времена. Но затмения оказались сложнее.
Для ранних астрономов должно было быть ясно несколько вещей. Затмения происходят, когда Солнце и Луна, которые имеют различные пути по небу, встречаются друг с другом. Их пути перекрещиваются в двух местах. Чтобы произошло затмение, Солнце и Луна должны встретиться в одной из этих двух точек. Так что для предсказания затмений вы должны получить годовой путь Солнца и ежемесячный путь Луны. Просто проследите за путями и отметьте, когда два тела встречаются. В результате должен быть рисунок, который повторяется с некоторым многократным лунным периодом в двадцать девять с половиной дней.
Но эта простая идея не работает: затмения не попадают в образец, подчиняющийся точно лунному месяцу. Мы можем легко представить поколения теорий, которые проверялись и терпели неудачу в попытке согласовать движения этих двух великих тел. Это должна была быть столь же великая загадка, как и согласование ОТО с квантовой теорией для нас.
Мы не знаем, кто понял, что тут имеется потерянный элемент, но, кто бы это ни был, мы в великом долгу перед ним. Мы можем представить астронома, возможно, в Вавилоне или древнем Египте, внезапно осознавшего, что тут имеется не только два периодических движения, которые надо рассматривать, но три. Возможно, это был мудрец, который после десятилетий изучения чувствовал данные сердцем. Возможно, это был некий молодой бунтарь, которому еще не промыли мозги в направлении мыслей, что вы должны объяснять то, что было увидено, только в терминах наблюдаемых объектов. Как бы то ни было, этот новатор открыл загадочное третье колебание в данных, возникающее не раз в месяц или раз в год, а примерно каждые восемнадцать и две третьих года. Оказалось, что точки, где два пути пересекаются в небе, не фиксированы: они вращаются так, чтобы за указанные восемнадцать с небольшим лет сделать полный цикл.
Открытие этого третьего движения – потерянного элемента – должно было быть одним из самых ранних триумфов абстрактного мышления. Мы видим два объекта, Солнце и Луну. Каждый имеет период, известный с самых ранних времен. Должен состояться акт воображения, чтобы увидеть, что кое-что еще тоже движется: сами пути. Это был глубокий шаг, поскольку он требовал осознания, что за наблюдаемыми вами движениями есть другие движения, чье существование может быть выведено только дедуктивным путем. С тех пор наука только несколько раз прогрессировала путем открытия такого потерянного элемента.
Идея, что элементарные частицы не являются точечными частицами, но колебаниями струн, может служить другим примером таких редких прозрений. Она обеспечивает правдоподобный ответ на некоторые большие проблемы физики. Если это верно, это столь же сильное постижение, как и древнее открытие, что орбиты, по которым путешествуют планеты, сами двигаются.
Изобретение теории струн было названо научной революцией, но она долгое время находилась в становлении. Как и в некоторых политических революциях, – но отличаясь от научных революций прошлого, – революция теории струн была предвосхищена небольшим авангардом, который годы работал в относительной изоляции. Они начали в конце 1960х с анализа, что происходит, когда сильно взаимодействующие частицы – что означает, частицы, сделанные из кварков, такие как протоны и нейтроны, и потому управляемые сильным ядерным взаимодействием, – рассеиваются друг на друге. Это не одна из пяти проблем (см. главу 1), поскольку она в настоящее время понята, по крайней мере, в принципе, в терминах стандартной модели. Но перед тем, как стандартная модель была изобретена, это была центральная проблема для теоретиков, работающих с элементарными частицами.
Кроме протонов и нейтронов имеется великое множество других частиц, сделанных из кварков. Эти другие частицы нестабильны; они производятся на ускорителях путем сталкивания пучка протонов высокой энергии с другими протонами. С 1930х по 1960е мы собрали большое количество данных о различных видах сильно взаимодействующих частиц и о том, что происходит, когда два из них сталкиваются.
В 1968 молодой итальянский физик по имени Габриэле Венециано увидел интересную структуру в данных. Он описал структуру, найдя формулу, которая описывает вероятности рассеяния для двух частиц друг на друге под разными углами. Формула Венециано замечательно соответствовала некоторым данным.[1]
Это вызвало интерес у некоторых из его коллег в Европе и Соединенных Штатах, которые ломали над этим голову. К 1970 некоторые из них смогли интерпретировать это в терминах физической картины. В соответствии с этой картиной частицы не должны рассматриваться как точки, как это всегда рассматривалось ранее. Вместо этого, они были "струноподобными", существуя только в одном измерении, и они могли растягиваться как резиновые ленты. Когда им добавляли энергию, они растягивались; когда они отдавали энергию, они сжимались – также подобно резиновым лентам. И, как и резиновые ленты, они вибрировали.
Формула Венециано, таким образом, открыла дверь в мир, в котором сильно взаимодействующие частицы все были резиновыми лентами, колеблющимися в процессе их движения, сталкивающимися друг с другом и изменяющими энергию. Различные состояния колебаний должны были соответствовать различным видам частиц, производимых в экспериментах по столкновению протонов.
Эта интерпретация формулы Венециано была независимо разработана Йоихиро Намбу в университете Чикаго, Хольгером Нильсеном в Институте Нильса Бора и Леонардом Сасскайндом, в настоящее время работающем в Стэнфордском университете. Каждый думал, что он открыл нечто восхитительное, но их труд вызвал незначительный интерес. Сасскайнд получил от Physical Review Letters отказ с замечанием, что это прозрение недостаточно важное для публикации. Как он позднее определил это в интервью: "Бум! Я чувствовал себя так, как будто я получил удар урной по голове, и я был очень, очень глубоко расстроен."[2]
Но несколько людей получили эту информацию и начали работать над той же интерпретацией. Возможно, более аккуратным было бы назвать получившийся набор идей теорией резиновых лент. Но, поскольку это нуждалось в определенном статусе, это стало рождением теории струн.
Как теория сильно взаимодействующих частиц теория струн со временем была вытеснена стандартной моделью. Но это не означало, что струнные теоретики ошибались; фактически, сильно взаимодействующие частицы ведут себя часто как струны. Как обсуждалось в главе 4, силы между кварками сейчас описываются более фундаментально калибровочным полем, а основополагающий закон, кажется, дается квантовой хромодинамикой, или КХД, которая является частью стандартной модели. Но при некоторых обстоятельствах результат может быть описан, как если бы между кварками были резиновые ленты. Это происходит потому, что сильное взаимодействие очень не похоже на электромагнитное. Тогда как электромагнитная сила становится слабее с расстоянием, сила между двумя кварками примерно постоянна по величине, когда мы растаскиваем два кварка в стороны, и затем остается постоянной независимо от того, как далеко мы их после этого растащили. В этом причина того, почему мы никогда не видим свободные кварки в экспериментах на ускорителях, а только частицы, сделанные из связанных кварков. Однако, когда кварки очень близки друг к другу, сила между ними ослабевает. Это важно. Струнная картина (или картина резиновых лент) работает только тогда, когда кварки находятся на существенном расстоянии друг от друга.