Падіння та підйом теорії струн

 Теорія струн колись була найгарячишою у фізиці. У 1980-х і 90-х вона обіцяла,здавалося б, необмежену щедрість. Виходячи з уявлення про те, що матерія та енергія в основному складаються з крихітних вібруючих струн, а не точкових частинок, ця теорія намагалася об'єднати всі відомі сили в єдиний елегантний пакет. Деякі фізики вітали теорію струн як довго шукану "теорію всього".

Фізик Гарвардського університету Ендрю Стромінгер, лідер у галузі теорії струн протягом десятиліть, пам'ятає ранній ентузіазм. "На момент його нової популярності, - каже він, - було заявлено, що ми вирішили всі проблеми фізики і маємо на увазі остаточну теорію".

• Вчені припустили існування сусідніх всесвітів

Ще у ейфоричні 80-ті роки Стромінгер знав, що такі твердження були надмірними. І, звичайно, скептицизм просочувався протягом багатьох років. Ще ніхто не задумав експерименту, який міг би остаточно перевірити або спростувати теорію струн. Можливо, реакція досягла максимуму в 2006 році, коли кілька гучних книг і статей напали на цю теорію. Але хоча теорія струн відійшла від уваги, вона не зникла. "Теорія все ще розвивається і стає все кращою - і краще зрозумілою", - стверджує Хуан Малдасена з Інституту перспективних досліджень в Принстоні, штат Нью-Джерсі.

Ендрю Стромінгер (кредитор: Тоні Рінальдо)

Багато сучасних теоретиків струн прийняли утилітарний підхід, менше зупиняючись на його всеохоплюючому потенціалі, а більше тут і зараз. Деякі практики застосовують методи теорії струн до задач чисто математики, тоді як Стромінгер працює над тим, щоб забезпечити більш глибоке концептуальне розуміння чорних дір. Інші все ще покладаються на теорію струн для отримання несподіваної допомоги при розрахунках, що стосуються фізики частинок та екзотичних станів речовини. З цієї різноманітної роботи випливає новий консенсус: теорія струн, можливо, не є загальноприйнятою теорією всього, - каже Стромінгер, - але це, безумовно, теорія чогось.

Приховані глибини

Стромінгер ніколи не був одним із побитих шляхів. У 1970-х він двічі кинув Гарвард, щоб жити в комунах Нью-Гемпширу та Китаю, перш ніж повернутися до коледжу, прагнучи дослідити Всесвіт за допомогою теоретичної фізики. Будучи аспірантом Массачусетського технологічного університету, Стромінгеру було наказано уникати таких ризикованих предметів, як теорія струн; він проігнорував пораду.

Азартні ігри дали свої результати. У 1985 році, через три роки після здобуття наукової ступеня кандидата наук, Стромінгер є співавтором однієї з основних робіт у цій галузі - частини так званої "першої струнної революції".

Центральною передумовою теорії струн є те, що струни, найосновніша одиниця природи, вібрують у 10- або 11-мірному Всесвіті. Три знайомі виміри плюс час становлять чотири, тобто шість-сім «зайвих» просторових вимірів повинні лежати прихованими, зморщеними настільки малими, що ми їх не бачимо. Ці хвилинні виміри потрібно «компактифікувати» певним чином, щоб відтворити фізику, яку ми спостерігаємо, і Стромінгер та його колеги визначили, якою повинна бути ця вичавлена ​​форма: шестивимірним математичним об’єктом, відомим як простір Калабі-Яу. Маса частинки, сила заданої сили та інші основні величини залежать від форми або геометрії цього звивистого простору.

Невдовзі теоретики струн зробили неабияке відкриття. Особливо обертаючи простір Калабі-Яу, вони могли створити своєрідне дзеркальне зображення, хоча і зовсім іншої форми. Несподіванкою було те, що ці, очевидно, неоднакові форми Калабі-Яу мали приховану спорідненість, і породжуючи одну і ту ж фізику. Теоретики назвали явище "дзеркальною симетрією".

Вчені швидко зрозуміли, що цю нову симетрію можна використати для вирішення різних математичних головоломок. У 1991 році фізик Філіп Канделас та його колеги використовували дзеркальну симетрію для вирішення столітньої проблеми, фактично підраховуючи кількість сфер, які могли поміститися всередині простору Калабі-Яу.

Математики підскочили, використовуючи дзеркальну симетрію для вирішення інших невирішених проблем в перелічувальній геометрії, як правило, що передбачає підрахунок ліній та кривих на складних поверхнях та тривимірних просторах. Дзеркальна симетрія допомогла омолодити поле, і цей напрямок досліджень все ще продовжує розвиватися завдяки регулярним міжнародним математичним конференціям, присвяченим йому.

"Протягом останніх кількох років було досягнуто прогресу у напрямку укладання цієї ідеї в одну (хоча і складну) формулу", - говорить математик Університету Брандейса Бонг Ліан. "Геометричні, алгебраїчні та фізичні зображення дзеркальної симетрії починають збігатися".

Чорна діра Одкровення

Хоча Стромінгер є співавтором статті 1996 року, яка пропонує математичне пояснення того, як працює дзеркальна симетрія, протягом останніх двох десятиліть його акцент робився на використанні теорії струн для отримання уявлення про чорні діри. В одному вилазку в цю сферу він разом з колегою з Гарварда Камрун Вафа дослідив загадкову знахідку з початку 1970-х років фізиками Джейкобом Бекенштейном і Стівеном Хокінгом.

До цього часу вчені розглядали чорні діри як прості предмети - буквально діри в просторі, цілком d описується лише трьома змінними: їх маса, спін і заряд. Використовуючи загальну теорію відносності (теорія гравітації Ейнштейна), термодинаміку та квантову теорію, Бекенштейн та Хокінг розробили формулу, яка показує, що чорні діри мають напрочуд високу ентропію - міру того, як багато частинок можна розташувати всередині об’єкта. Іншими словами, внутрішня структура чорної діри була дуже складною; вона могла припустити велику кількість потенційних станів. Формула Бекенштейна-Хокінга дала точне число ентропії, кількісно визначаючи можливі внутрішні стани, не вказуючи, з чого ці різні стани можуть складатися.

У 1996 році Стромінгер і Вафа звернулися до теорії струн, щоб забезпечити мікроскопічну перспективу чорних дір. Їх спосіб надати вид зсередини, як і в роботі Канделаса, був схожий на підрахунок кількості сфер, які можна було налаштувати всередині простору Калабі-Яу. І відповідь, яку дійшли Стромінгер та Вафа, цілком узгодилася з результатом Бекенштейна-Хокінга. Це було головним тріумфом для теорії струн, оскільки вона могла щось зробити - запропонувати підказки про внутрішній склад чорної діри - чого не міг би застосувати інший підхід.

Strominger продовжував натискати далі. Його робота з Вафою показала, що швидко обертаються чорні діри мають «конформну симетрію», що приблизно означає, що певні фізичні властивості не залежать від розміру чорної діри. Згодом Стромінгер зрозумів, що наявність цієї симетрії, яка раніше не була визнана, може бути використана для підтримки ряду передбачень. Наприклад, в даний час він та його співробітники намагаються розрахувати інтенсивність електромагнітного випромінювання, що випромінюється поблизу чорної діри. Через кілька років, зазначає Стромінгер, коли світова мережа, відома як телескоп «Горизонт подій», з’явиться в мережі, астрономи зможуть перевірити ці оцінки випромінювання за допомогою прямих вимірювань.

Використовуючи подібні методи, спочатку натхненні теорією струн, група Стромінгера обчислила спектр гравітаційних хвиль, що випромінюються, коли компактні об'єкти, такі як зірки, потрапляють у гігантські чорні діри - передбачення, які можуть бути перевірені майбутнім еволюціонованим лазерним інтерферометровим космічним антеною, яке планується запустити через два десятиліття (а може і раніше). Стромінгер також вважає, що докази конформної симетрії можуть з'явитися з обсерваторії гравітаційно-хвильового лазерного інтерферометра, яка вперше помітила гравітаційні хвилі на початку цього року. Незабаром, за його словами, астрономи можуть потонути в даних, які вони не можуть повністю інтерпретувати. "Ми хотіли б використати ідеї теорії струн, щоб пролити світло на кути цього".

• Виявляється Земля НЕ обертається навколо Сонця

Нове числення

Тим часом інші фізики використовують методології теорії струн для вивчення станів екстремальних речовин - від сильно гарячої плазми, що утворюється в коллайдерах частинок, до матеріалів, що створюються в лабораторіях при температурах, близьких до абсолютного нуля.

Фізик Університетського коледжу Лондона Ендрю Грін, який досліджує дивні фази речовини, що виникають при наднизьких температурах, ніколи не уявляв собі входження в теорію струн, але визнав це надзвичайно вартим. Незважаючи на те, що він може не запропонувати вичерпної теорії реальності, він каже: "він відкрив новий набір математичних методів, корисних у широких областях фізики".

Багато з цих підходів залучають геометрію більш високих розмірів, додає він, "дозволяючи малювати геометричні картини того, що раніше було алгебраїчними формулюваннями". Грін називає теорію струн "новим численням", кажучи, що її ідеї зрештою приєднаються до стандартного набору теоретичної фізики.

Стромінгер погоджується. Хоча фізики, можливо, не натрапили на остаточну теорію всього 30 років тому, він вважає теорію струн "початковою точкою", з якої така теорія все-таки може вийти. Незалежно від того, як складеться цей квест, це вже перевірений інструмент, який натякає на те, "як на перший погляд непримиренні речі можуть поєднуватися між собою". І оскільки нові програми продовжують досліджуватися, стає зрозумілим, що єдиною теорією рядків не є застаріла.

Джерело