Бывают теории, которые начинаются с лабораторного происшествия, а теория струн началась с поломки автомобиля.
Летом 1970 года физик Йоитиро Намбу из Чикагского университета готовился к симпозиуму по фундаментальной физике, который должен был состояться в августе в Копенгагене, и написал план доклада о том, что он называл адродинамикой, включая представление о гибких струнах, соединяющих кварки с антикварками и моделирующих их сильное взаимодействие. Намбу заранее отправил рукопись организаторам по почте, а сам, собравшись в Европу, решил сначала доехать до Калифорнии, чтобы оставить семью погостить у друзей.
На пути через пустыню Большого Соленого озера в штате Юта автомобиль Намбу сломался, и они застряли в маленьком городке на три дня. Когда машину наконец починили, он уже опоздал на свой рейс. Вместо того чтобы лететь в Данию другим рейсом, рискуя опоздать на доклад, он решил пропустить симпозиум и провести отпуск с семьей в Калифорнии.
Хотя его доклад так и не был прочитан и не появился в трудах конференции, рукопись, к счастью, сохранилась и в итоге была опубликована. В ней он набросал идею моделирования поведения кварк-антикварковых пар как соединенных чем-то вроде эластичной струны или резинки (Кварки и антикварки не наблюдаются поодиночке, поэтому чем дальше кварк отлетает от другого кварка, тем больше сила, которая возвращает его обратно — так же, как в резинке: чем дальше друг от друга ее концы, тем больше сила, стремящаяся свести их обратно. — Прим. науч. ред.). Применяя квантовые правила к модам колебаний этих струн, он получал картины, соответствующие предсказаниям теории дуального резонанса.
Тем временем другие исследователи, в частности, Хольгер Нильсен и Леонард Сасскинд, независимо друг от друга пришли к аналогичной идее передачи сильного взаимодействия по струнам, чтобы отразить в модели удивительно короткий радиус действия этих сил в масштабах атомного ядра, а вместе с тем и их высокую мощь в этой крошечной области.
Вскоре физик Клод Лавлейс из Ратгерского университета сделал поразительное открытие, касающееся математических аспектов теории адронных струн. В стандартных четырех измерениях пространства-времени в уравнениях, управляющих движением струн, появляются слагаемые, соответствующие сверхсветовому перемещению, что запрещается специальной теорией относительности. Лавлейс искал способ исправить ситуацию. Он с удивлением обнаружил, что увеличение числа измерений до двадцати шести позволяет избавиться от этих проблемных членов. Пораженный этим странным результатом, который сложно было воспринять всерьез, он лишь вскользь упомянул о нем на семинаре в Принстонском университете, куда его пригласили выступить. Услышав о мире с двадцатью шестью измерениями, аудитория разразилась громким хохотом.
Хотя для физического сообщества начала 1970‑х годов двадцатишестимерное пространство казалось чем-то абсурдным, идея добавления дополнительных измерений к общей теории относительности не была новой. Многие теоретики уже были в какой-то степени знакомы с пятимерной теорией Калуцы — Клейна, поскольку ей был посвящен раздел в популярном учебнике по теории относительности, автором которого был Питер Бергман. Он вместе с Эйнштейном разрабатывал несколько вариантов пятимерных единых теорий поля. К моменту смерти Эйнштейна в 1955 году практически никто не работал с моделями типа Калуцы — Клейна, в которых добавление пятого измерения позволяло описать электромагнетизм наряду с гравитацией. С одной стороны, это было связано с отсутствием новых предсказаний, а с другой — с осознанием того, что в природе существуют не два, а четыре фундаментальных взаимодействия, включая сильную и слабую ядерные силы.
По сути, никто, даже Лавлейс, не рассматривал двадцатишестимерную теорию сильного взаимодействия как перспективное направление. Однако небольшая группа теоретиков заметила этот скачок в сторону высоких размерностей и стала держать его в уме в ходе новых разработок по объединению взаимодействий.
Одно из ограничений теории адронных струн заключается в том, что переносчик взаимодействия моделируется в ней как совершенно особый «зверь», непохожий ни на одну частицу из существующего зоопарка. Струна или резинка — это явно не то же самое, что математическая точка. Принцип простоты требует, чтобы всеобъемлющая теория субатомного мира использовала единообразные компоненты. Это значит, что все объекты должны быть либо точечными частицами, либо вибрирующими нитями. В последнем случае струнную модель придется расширить, чтобы описывать не только сильное взаимодействие, но и все другие силы и частицы как различные виды струн.
К тому времени физики поняли, что переносчики сил — особые типы частиц, например фотоны, обмен которыми приводит к фундаментальным природным взаимодействиям, таким как электромагнетизм, — обычно бывают представлены бозонами, а составляющие материи — фермионами. Бозоны — это частицы с целым спиновым квантовым числом: обычно 0, 1 или 2. Они компанейские ребята и занимают одно общее квантовое состояние, пока температура не поднимется и не вытолкнет их в более высокие. Иными словами, при самых низких температурах бозоны часто имеют одно и то же основное состояние, но при более высоких температурах распределяются по состояниям с более высокой энергией. Фермионы, с другой стороны, имеют полуцелый спин: 1/2, 3/2 и т. д. В отличие от бозонов, фермионам нужно личное пространство, и они никогда добровольно не занимают одно общее квантовое состояние. Если два электрона, которые представляют собой фермионы, случайно оказываются на самом низком энергетическом уровне атома, они должны различаться по своим спиновым состояниям. Если один из них имеет спин вверх, то у другого должен быть спин вниз, как у противоположно ориентированных батареек в некоторых фонариках.
(отрывок из книги Пола Халперна “Очарование мультивселенной. Параллельные миры, другие измерения и альтернативные реальности” / пер. с англ.: Александр Сергеев; научный редактор Антон Шейкин, редактор Олег Бочарников, длинный список премии Дмитрия Зимина «Просветитель.Перевод»-2025).
Оценили 34 человека
60 кармы