Кто знает, когда
нахлынет вдохновение? Еще невозможнее узнать, куда оно заведет. История
струнной теории начинается на вершине 750-футовой горы в
Средиземноморье. Город называется Эриче, что на Сицилии, — неспешный,
жаркий, улицы его узки и одеты в древний камень. Эриче был Эриче, когда
по Земле еще бродил Фалес. Ныне город знаменит в первую очередь своим «Centro Ettore Majorana» —
культурным и научным центром, в котором не один десяток лет проходят
летние школы примерно недельной протяженности. Школы «Этторе Маджорана» —
сборища студентов старших курсов и младших сотрудников факультетов, где
они встречаются с ведущими учеными разных областей и прослушивают
лекции по самым передовым темам науки. Летом 1967 года одной из таких передовых тем оказался подход к теории
элементарных частиц под названием «теория S-матриц». Габриэле Венециано,
итальянский выпускник Института Вейцмана в Израиле, находился в
аудитории и слушал своего интеллектуального героя — Мёрри Гелл-Манна.
Гелл-Манн вскоре получит за свое открытие кварков Нобелевскую премию —
их в то время считали внутренними составляющими семейства элементарных
частиц, называемых адронами (в то же
семейство входят протон и нейтрон). Вдохновение, которое Венециано обрел
на той лекции, через несколько лет подвигнет его к созданию начал
струнной теории. Темой тогдашней лекции Гелл-Манна были закономерности
математической структуры S-матрицы. S-матрицу
придумал Гейзенберг, впервые в 1937 году применил Джон Уилер, а расцвет
ее пришелся на 1960-е, и обеспечил его физик из Беркли Джеффри Чу.
Буквой S обозначается «scattering» (рассеяние),
поскольку главный способ изучения элементарных частиц физиками таков:
физики разгоняют частицы до бешеных скоростей и энергий, после чего
вляпывают их друг в дружку и смотрят, какие именно дребезги полетят во
все стороны. Примерно как изучать устройство автомобиля путем
организации автокатастроф. В мелких авариях удается оторвать
что-нибудь скучное, вроде бампера, а вот на гоночной скорости глазам
пристального наблюдателя представится полет даже самых крепко ввинченных
в пассажирское сиденье болтов и гаек. Но есть одна большая разница. В
экспериментальной физике, влепив с размаху «шеви» в «форд», можно
получить на выходе комплектующие от «ягуара». В отличие от автомобилей,
элементарные частицы могут превращаться друг в друга. Когда Уилер
разработал матрицу рассеяния, уже собрался — и продолжал накапливаться —
немалый корпус экспериментальных данных, однако успешной квантовой
теории создания и исчезновения элементарных частиц не существовало даже в
части электродинамики. S-матрица являла собой черный ящик, в который
можно было что-нибудь засунуть — определения сталкивающихся частиц, их
импульсов и т. д. — и получить на выходе аналогичные данные, но для
вновь возникших частиц. Для построения матрицы
рассеяния, т. е. внутренностей черного ящика, вообще говоря,
требовалась теория взаимодействия частиц. Но даже и без теории кое-что
об S-матрице сказать можно — основываясь лишь на природных симметриях и
общих принципах вроде согласованности с теорией относительности. Соль
S-матричного подхода заключалась в выяснении, насколько далеко можно
уехать на одних этих принципах. В 50-х и 60-х годах прошлого века
такой подход был практически повальным увлечением. В своей лекции в
Эриче Гелл-Манн рассказал о некоторых поразительных закономерностях,
называемых дуальностями, которые
можно наблюдать при столкновении адронов. Венециано задумался, возникнут
ли такие закономерности в более общем случае. Через полтора года он
понял: все математические свойства матрицы рассеяния, которые он
рассматривал, присущи одной простой математической функции — эйлеровой бета-функции. Теория
Венециано (дуальная модель Венециано) оказалась поразительным
открытием. С чего бы потенциально сложной матрице рассеяния принимать
столь простую изящную форму? Но таково оказалось первое математическое
чудо в ряду многих, какие потом будут регулярно проявляться в струнной
теории — как раз такие красивые результаты убедили Шварца, что он не
впустую тратит жизнь на теорию струн. Результат, полученный
Венециано, показался физикам настолько элегантным, что вдохновил их на
совершенно не S-матричный вопрос: как же устроены процессы столкновения
частиц, из-за которых получается матрица рассеяния? Что же у черного
ящика внутри? Если бы удалось с этим разобраться, прояснилась бы
внутренняя структура сталкивающихся адронов, а также взаимодействие,
именуемое сильным, которое ими управляет. В
1970 году Ёитиро Намбу из Университета Чикаго, Хольгер Нильсен из
Института Нильса Бора и Леонард Сасскинд из Университета Иешивы,
ответили на вопрос: нужно моделировать элементарные частицы не как
точки, а как малюсенькие колеблющиеся струны. Мы теорию открываем или изобретаем ?
Физики — дети, блуждающие в сумерках по парку с фонариками в поисках
истины, или же дети с кубиками, возводящие башни, пока они не осыплются?
Или, на самом деле, — и то, и другое? Тогда какого рода эта дуальность —
как та, о которой говорил Гелл-Манн, или как та, что есть у волны и
частицы? Есть и менее приятные синонимы к глаголам «изобретать» и
«открывать». Например, «стряпать» или «натыкаться на». Исходная
струнная теория — под названием бозонной теории струн —
однозначно была «стряпней». Ей не доставало естественности, она
полнилась невероятными свойствами, и ее явно собрали в кучу, лишь бы
воспроизвести озарение, посетившее Венециано. Но Намбу с коллегами кое
на что и наткнулись . Они открыли
струнную теорию практически в том же смысле, что Планк когда-то —
квантовую. Оба набрели на идею: энергетические уровни можно представить
количественно, а частицы можно представить как струны; в обоих случаях
ни подлинное значение, ни широта охвата этих идей не были поняты, а на
формирование осмысленной теории потребовались годы. Оба набрели на то,
что могло быть новым законом природы — или просто математической
ужимкой. И лишь годы усилий могли определить, что есть что. В случае с
квантовой теорией потребовалось 25 лет — от Планка до Гейзенберга и
Шрёдингера. Струнная теория уже проскочила этот рубеж. |