Эдвард Мусаев. Здравствуйте. Я хотел бы прочитать сегодня вот такую вот лекцию, с таким вот названием
(Текст на слайде: «ТЕОРИЯ СУПЕРСТРУН. Краткая история Великого объединения»). И, во-первых, хотелось бы поблагодарить всех вас за то, что вы в таком количестве набились в эту аудиторию, и некоторым даже нет места сидеть на стульях, а есть место сидеть на полу. Так давайте мы начнём.
Можно с большой степенью достоверности, с большой степенью убеждённости утверждать, что теории, разные теории, а теория суперструн является теорией, как можно легко догадаться, появляются из противоречий. То есть, вот например, у нас есть классическая механика, у нас есть электромагнетизм. Между ними возникает противоречие, которое состоит в том, что в классической механике всё взаимодействие распространяется с бесконечной скоростью дальнодействия, а в электромагнетизме, в электромагнитном взаимодействии, распространяется со скоростью света. Из этого противоречия можно выйти при помощи внедрения каких-то дополнительных концепций, и этим занимается специальная теория относительности, которая говорит, что никакие взаимодействия не могут распространяться со скоростью, больше чем скорость света, ну, и она как-то там устроена. Однако она, в свою очередь, вступает в противоречие с теорией тяготения Ньютона, который утверждает, что теория гравитации, что сама гравитация распространяется тоже с бесконечной скоростью. Чтобы решить это противоречие, Эйнштейн в начале прошлого века придумал общую теорию относительности, в которой гравитация заменяется не обычным действием силы, а каким-то искривлением пространства. Замечательно. После Эйнштейна придумали квантовую механику, чтобы объяснить какие-то другие противоречия экспериментального характера. И в итоге выяснилось, что теория относительности Эйнштейна вступает в противоречие с квантовой механикой. И противоречие это, оказывается, не разрешено до сих пор. Оказывается, это противоречие не разрешено до сих пор и вот именно этому противоречию, из которого, как кажется, возникает теория струн — один из способов разрешения этого противоречия, мы и будем сегодня говорить, то есть, вот об этом вот знаке вопроса.
Итак, предполагается, что теория струн, суперструн, объединяет все 4 известных взаимодействия, это: электричество и магнетизм (они уже объединены в одно Максвеллом), слабое взаимодействие (которое отвечает за радиоактивный распад или ядерную бомбу), сильное взаимодействие (которое отвечает за удержание кварка внутри протона и нейтрона или за взаимодействие протонов и нейтронов внутри ядра, то есть, за то, что ядра не разваливаются) — вот эти вот 3 взаимодействия они здесь выделены не просто так, а потому что они все 3 являются квантовыми по характеру, то есть, существует теория, которая является квантовой, что это значит — мы поговорим дальше. И вот эти все 3 взаимодействия они описываются этой самой квантовой теорией. А гравитация, которая описывает движение небесных тел, тяготение, каждый из вас, рядом сидящий, друг к другу притягивается с помощью гравитации, но очень-очень слабо, — она описывается при помощи теории относительности Эйнштейна, которая говорит, что гравитация — это просто искривление пространства. Вот оказывается, мы увидим, что эти две концепции — о квантовой механике и искривлении пространства — они будут входить в противоречие между собой.
Итак, почему это интересно? Ну, раз вы пришли сюда, наверно, вам это интересно по каким-то своим собственным причинам. Почему это интересно нам? В первую очередь интересно это потому, что мы хотим создать некоторые фундаментальные непротиворечивые описания мира вокруг. Человек, он с самых своих истоков, когда он сидел у костра и камнем потрошил очередную рыбу, он задумывался о мире вокруг него, какие-то модели строил. И вот до сих пор, сейчас мы при помощи каких-то таких гораздо более мощных инструментов, чем примитивный мозг палеолитического человека, это строим, при помощи науки и так далее. Но, тем не менее, вопрос всё ещё стоит, фундаментальной картины не построено. И кроме такой общей постановки вопроса, существуют совершенно прямые физические вопросы. Например, это: как описывать космологию. Все слышали про Большой взрыв. В начале Большого взрыва Вселенная была сжата в точку, гравитация там ломается — квантовая гравитация нужна. В чёрных дырах тоже есть сингулярность, тоже нужна квантовая гравитация. Чтобы описывать природу пространства и время, тоже нужна квантовая гравитация. Такого сорта вопросы они сами по себе уже, как физические вопросы, ведут к построению квантовой гравитации, к необходимости построения квантовой гравитации.
Итак, начнём с того, что такое вообще «квантовый». Квантовый — это некоторый способ описания частиц, то есть, не существует классических частиц и квантовых частиц. Все частицы, которые мы видим, все явления нашего мира, кроме, возможно, гравитации, они все являются квантовыми. И давайте посмотрим, в чём разница между квантовым поведением и классическим поведением. Вот есть классический такой опыт, который прекрасно иллюстрирует эту разницу в поведении. Если у меня есть некий экран, в котором прорезано 2 щели, есть второй экран, в котором нет щелей, и который светится, если на него падают частицы. И слева я пускаю частицы, которые ведут себя классически. Каждая из них проходит через определённую дырку, и на экране я вижу 2 полоски — всё замечательно, интуитивно верно. Квантовое поведение — всё то же самое, но на экране я вижу не 2 полоски, а какой-то набор полосок, так называемую интерференционную картину, которая, вообще говоря, характерна не для частиц, а для волн. Получается так, как будто частица прошла через сразу обе щели и сама с собой каким-то образом проинтерферировала, провзаимодействовала, и она сама себе знает, где вот ей сюда лететь, а сюда вот ей, например, лететь не надо. Дальше — больше. Если я буду пытаться смотреть через какую всё-таки щель пролетела частица, это всё-таки нехорошо, что она сразу через 2 щели пролетает, это неправильно, так жить нельзя, поэтому нужно следить, где она пролетает. Если мы будем следить, то мы получаем вот эту картину (просмотр слайда). Частицы квантовые они не такие простые, как кажутся. Если за ними не следишь, то они ведут себя квантовым образом, если за ними следишь, то они падают, впадая в классическое состояние, и ведут себя классическим образом. То есть, получается такая картина, которая обычно описывается фразой «корпускулярно-волновой дуализм», то есть, квантовые частицы, они одновременно корпускулы и волны. Это часто вызывает определённого сорта смущения у людей и, собственно, понятно, почему. Вопрос возникает: что всё-таки она такое: квантовая частица или волна. Ответ в том, что это квантованное поле. Она не частица и не волна. В каких-то экспериментах она ведёт себя, как волна, в каких-то экспериментах она ведёт себя как частица. А описывается она каким-то вот таким объектом, который не является ни квадратом, ни кругом, а чем-то вот более сложным. И всё вот это дело описывается теоретически такой вещью, называемой соотношение неопределённости Гейзенберга, которое нам говорит, что мы не можем одновременно точно измерить определённые величины. То есть, я могу взять частицу в классике и измерить одновременно точно, где она находится, и с какой скоростью она движется. В квантовой механике я могу измерить либо абсолютно точно, где она находится, либо абсолютно точно, с какой скоростью она движется, либо с какой-то такой не очень хорошей точностью и то и другое. То же самое с энергией. Например, я хочу точно измерить энергию, для этого мне нужно бесконечно большое время. Я могу измерить энергию, ну, не совсем точно да за небольшое время. Это как проекты люди делают: не очень качественно, но быстро.
(просмотр слайда) Это второе соотношение Гейзенберга, с энергией связанное. Оно приводит к очень интересному явлению, так называемому эффекту Казимира. То есть, если я имею право на определённых масштабах времени ΔТ не знать, какая у меня там энергия, то если иметь какую-то неопределённость в энергии ΔЕ, то значит, в какой-то точке у меня могут родиться частицы и через какое-то время ΔТ они схлопываются, и вот энергия, необходимая для рождения частиц, это вот ΔЕ как раз. И так происходит в каждой точке пространства. И вся вот эта квантовая пена называется виртуальными частицами, то есть, это то, что называется физический вакуум. Частицы постоянно рождаются, уничтожаются, рождаются, уничтожаются. Можно подумать: какая-то странная картина, такого, наверно, не может быть, всё это физики напридумывали. Однако люди, которые конструируют наномашины, они этот эффект учитывают, потому что если мы возьмём 2 такие пластины, то можно догадаться, что справа и слева от этих пластин пространство особо не изменилось, между этими виртуальными парами ничего не произойдёт. Зато между пластинами пространство изменилось, у него появились 2 границы — эти пластины. И в определённом смысле между этими пластинами частиц будет рождаться меньше, снаружи больше, внутри меньше, пластины будут друг к другу прижиматься. И вот эта сила, с которой они прижимаются, называется сила Казимира, а сам эффект называется эффект Казимира. Если вы строите наномашину какую-то очень маленькую, то этот эффект нужно учитывать, иначе части машины могут просто слипнуться друг с другом. Этот эффект показывает нам… можно на него с другой стороны посмотреть, то есть, не со стороны этой наномашины, а со стороны более фундаментальных, что мы изменили геометрию пространства. У нас пространство было абсолютно пустое, а теперь в нём есть 2 какие-то границы. Можно более хитрые вещи придумать, например, засунуть в пространство чёрную дыру. Она тоже очевидно изменяет геометрию пространства, у неё есть какой-то горизонт, есть внутренняя часть, куда зайти нельзя, и такая чёрная дыра, несмотря на то, что она не излучает в классической физике, она начинает излучать. За счёт виртуальных пар рядом с ней. Далеко от неё тоже ничего не меняется, они как рождались, так и рождаются. А рядом с горизонтом одна из родившихся частиц падает внутрь, а вторая летит снаружи. И это прям совсем рядом с горизонтом происходит. Если мы далеко от этой чёрной дыры находимся, мы видим, как будто чёрная дыра излучает. Интересное свойство излучения это то, что оно тепловое, оно излучает как нагретый утюг примерно, очень холодный утюг, но как утюг, даже лучше, потому что как абсолютно чёрное тело излучает. То есть, можно чёрной дыре приписать некоторую температуру, некоторую энтропию, некоторую термодинамику строить с этой чёрной дырой. И вот это уже вызывает сложности. Температура, она обратно пропорциональна массе, а в дальнейшем мы увидим, что термодинамика чёрной дыры совершенно непонятно, что такое, потому что термодинамика имеет дело с какими-то системами, в которых очень много частиц. Здесь — одна чёрная дыра и всё. Какая там у неё может быть температура? Дальше будем разбираться с этим. Другой вариант изменения геометрии — это рассмотрение самой теории относительности, самого пространства с учётом квантовых свойств. Вот у меня есть соотношение неопределённости, которое говорит, что я что-то там не могу точно измерить, вещи флуктуируют какие-то, и если я это применю, в определённом смысле применю это соотношение неопределённости к геометрии, то я увижу, что на больших расстояниях у меня пространство плоское, такое гладкое, как простыня, даже здесь как резиновый лист, а вот здесь как простыня, то есть, оно такое немножко щербатое. Но если я буду смотреть на очень маленьких расстояниях, я увижу, что пространство может рваться, в нём могут появляться дырки, могут появляться такие вот острия, пики такие. И если я попытаюсь рассматривать теорию взаимодействующих частиц на таком пространстве, флуктуирующем, то я увижу, что точка взаимодействия, где частица летела и распалась на две, вот эта точка, будучи посаженной на какой-нибудь из этих пиков, или в дырку, или ещё куда-нибудь, она полностью рушит теорию, потому что теория относительности не работает на таких вот сингулярностях, скажем так. То есть, опять дело, вообще говоря, в сингулярностях. Однако я могу вместо точных частиц, которые так вот летают и делятся, рассмотреть такой вот объект, который называется струна. Он летит. То есть, здесь нарисована его эволюция со временем, а просто его можно представлять вот так: струна такая, она постепенно сближается, соединилась и развалилась на две — вот такие штаны получились. Где конкретно эти штаны развалились на две части — не определено, пока мы не нарисуем вот такую плоскость, в которой мы живём, то есть, плоскость как бы наблюдения. И я могу и так и эдак, или по-другому, у меня получается целая область, область, в которой эти струны разваливаются, и получается две вот штанины такие. И эта область она, вообще говоря, не видит все вот эти вот сингулярности, дырки и прочее. И вот таким образом, на пальцах, из теории струн, она может нам квантовать гравитацию — это раз. Но, что более всего привлекает в этой самой теории — это то, что она в принципе имеет возможность, имеет, скажем так, средства описывать весь зоопарк наблюдаемых элементарных частиц. Что мы вокруг себя видим? У нас есть взаимодействие: сильное, слабое, магнитно-гравитационное. Оно описывается какими-то частицами: глюоны, слабые бозоны, фотоны, гравитоны (гравитон не нашли, но это нам не мешает думать). Есть материя (материя, вообще говоря, состоит из кварков и лептонов; лептоны — это электрон и ещё там 2 штучки есть; кварки — это те ребята, из которых состоят протоны и нейтроны, а из них состоят атомы, а из атомов состоим мы с вами), так вот, оказывается, что всё вот это многообразие частиц (у них разные массы, разные квантовые числа, разные заряды, много чего там, порядка 20 параметров нужно, чтобы описать все эти взаимодействия, которые наблюдаются на эксперименте), оказывается, их можно описать при помощи одного объекта всего лишь — струны. То есть, струна, например, колеблется так, я скажу: пусть это будет глюон, а вот если она колеблется эдак, то пусть будет W- или Z-бозон, а вот такой объект пусть будет кварк, например. То есть, разные как бы ноты на этой струне соответствуют разным частицам. Все на гитаре играли, все знают, что если дёрнуть открытую струну на гитаре, то она будет звучать одним способом, а если взять флажолет, то будет звучать другим способом, хотя я длину струны не уменьшал, она просто по-другому звучит, та же самая струна. Теперь мы видим замечательную картину: у нас есть только один объект, ни одного нет безразмерного параметра в этой теории, и есть только натяжение у этой струны. Замечательно мы описали все теории, все частицы при помощи одного объекта, при помощи одного параметра, а не 20. Однако здесь есть ложка дёгтя — эта теория работает только в 10 измерениях, это её внутреннее свойство, она вот такая вот интересная, она хочет жить только в 10 измерениях, она иначе не формулируется. А мы живём в 4 измерениях: 3 измерения и плюс время. Теперь возникает задача: как из 10 перейти к 3. Вот такая формула есть интересная, которая говорит, что 10 это 1+3+6. 1 — это время, 3 — это пространственные координаты, что делать с шестью? 6 координат закручиваются в так называемое компактное пространство, и происходит это следующим образом (мы как бы классификацию делаем): рассмотрим двумерный лист, у него есть высота, у него есть, не знаю, ширина поперёк. Я теперь могу начать его сворачивать в трубочку и свернуть до такой степени, что я не вижу вот этого поперечного направления. Оно настолько маленькое, а я настолько большой, что я не вижу его. Если бы я был маленьким муравьём, я мог бы гулять вдоль этого направления и мог бы гулять поперёк, а я большой, я поперёк только могу гулять теперь. И можно взять четырёхмерное пространство, например, то есть, видите, у нас в каждой точке получается такая окружность. Можно взять четырёхмерное пространство, два из этих направления свернуть в такую сферу, а остальные два оставить плоскими. И в каждой точке у меня сидит сфера, и тоже маленький муравей он может гулять по сфере, может гулять здесь, как хочет. А я большой, я на сферу наступаю и не вижу их вообще. То же самое струна, она маленькая настолько, что она может колебаться вот внутрь этих направлений, и в зависимости от геометрии этих направлений, которое так же, как с валторной, в зависимости от геометрии этих трубок столб волн колеблется по-разному. То же самое в зависимости от геометрии этих внутренних многообразий, внутренних пространств, струна колеблется по-разному и, подбирая правильным образом эту геометрию, я могу сделать правильный набор масс, правильный набор зарядов; ключевой вопрос, ключевое слово в этой фразе — это «подбирает». Оказывается, таких возможных выборов порядка 10100 степени. То есть, можно нанять огромное количество людей, каждый из них будет проверять свой выбор геометрии, понятно, что это займёт огромное количество времени, но это не то, что мы хотели с самого начала. С самого начала я вам продавал, что я просто беру теорию, и она даёт нам весь наш наблюдаемый мир, есть только один параметр, а теперь я говорю: не-не-не, ребята, погодите, сначала мы должны правильное выбрать пространство. Получается, что у этой теории нет предсказательной силы. Я уже имею эксперимент, и я под эксперимент подгоняю моё пространство. Я не отвечаю на вопрос «почему», я отвечаю на вопрос «как», а хотелось бы ответить на вопрос «почему»: почему массы такие, почему заряды такие, а не как описать, что они такие. Эта проблема называется проблема ландшафта, и она нам говорит о том, что необходим динамический какой-то способ, чтобы прийти в определённую точку минимума. То есть, я должен ходить среди пиков и уметь среди этих пиков сразу, оп, и выбрать правильный, а не лазить по каждому пику и проверять, там есть сосуд Грааля или нет. Такой способ сразу найти правильный пик называется (так неправильную впадину), можно его называть непертурбативным подходом. Непертурбативный подход в теории струн был разработан, ну, можно сказать, начало его было положено в 1995 году разработки этого непертурбативного подхода, он называется М-теория. Это теория, которая проживает в 11 измерениях, ну, ладно уж, что тут, 10, теперь может 11, какая разница уже. До 1995 года существовало 5 различных теорий струн: Тип I, тип IIB, тип IIA, О-гетеротический, Е-гетеротический. Вам это ни о чём не говорит, но они есть. Теперь оказалось, что вот эти все люди, которые изучали разные теории, они на самом деле изучали разные куски одной теории, и вот чтобы перейти от одной теории к другой, нужно пройти через такую М-теорию. И вот эта теория она и даёт непертурбативный подход, то есть, подход, не основанный на малых приближениях, и, как всегда с непертурбативным подходом, с этим всё очень сложно. Однако она уже в таком виде даёт какие-то интересные следствия, какие-то проверяемые следствия. И давайте посмотрим, какие проверяемые следствия она даёт.
1. Для теории струн совершенно необходимо существование суперсимметрии. Суперсимметрия — она ищется на разных коллайдерах, на Большом адронном коллайдере, на ещё непостроенном ILC (здесь понятно, ничего не ищется, потому что его нет).
2. Дальше есть такое явление, как AdS/CFT-соответствие, которое позволяет описывать кварк-глюонную плазму. То есть, у нас есть квантовая хромодинамика, которая описывает динамику кварков и глюонов и, оказывается, что при помощи теории струн это можно всё гораздо более интересным способом через один слайд покажу, каким.
3. Дальше на этих коллайдерах (на этом и на непостроенном) можно наблюдать рождение чёрных дыр.
4. Оказывается… и изменение гравитации на малых масштабах, это одного характера явления… Оказывается, если вот вследствие того, что у нас есть компактные измерения, из-за того, что у нас измерений больше, чем 4, гравитация на маленьких измерениях она изменяется, на маленьких расстояниях она меняется. То есть, у нас закон там единица на r2, как мы все привыкли со школы, Кавендиш там измерял, или Кавендиш что-то другое? Ну, неважно, единица на r2 (1/r2), а, оказывается, она будет в какую-то другую степень в знаменателе иметь. Или могут рождаться чёрные дыры в коллайдере. Вот в СМИ была такая истерия, что в коллайдере, когда его запускали, в коллайдере сейчас родится чёрная дыра, и мы все умрём. Как СМИ любят любое явление сводить к этому. Оказывается, что они там могут родиться только в определённых условиях, если у нас дополнительные измерения есть, если эти дополнительные измерения ведут себя совершенно определённым образом, если гравитация на малых масштабах ведёт себя совершенно определённым образом. И вообще говоря, если это как-то теоретическое предсказание, и вот если они всё-таки там родятся, но они сразу, конечно, распадутся, не распадутся, мы не умрём. Ну, можно по этим вот сигналам можно выяснить, что они всё-таки родились и распались.
5. Но и дальше, естественно, есть какие-то космологические следствия, которые очень интересны, это следствия, связанные, во-первых, с начальной сингулярностью большого взрыва, дальше тёмная материя, тёмная энергия, то есть, все вот эти свойства этих объектов, они каким-то образом предсказываются струнами тем или иным образом.
Посмотрим давайте сначала на чёрную дыру. Как я уже сказал, чёрная дыра — это единичный объект. Однако вместе с тем она излучает и имеет какую-то температуру. Температура связана с энтропией. Энтропия — это мера беспорядка, вообще говоря. То есть, это количество способов расположить конституенты, части какой-то системы, чтобы они образовали эту систему. Вот здесь, понятно, способов расположить не так уж много, чтобы такой шарик создать, можно там парочку переставить и всё. Если у нас есть куча, то можно переставить элементы в этой куче, она кучей и останется. То есть, у кучи большая энтропия, а у упорядоченного шарика маленькая энтропия. Вот эта энтропия, она связана через термодинамику с температурой, с излучением и так далее. Беккенштейн — Хокинг, они анализировали, как чёрная дыра взаимодействует с квантом и с квантованным вот этим вакуумом, с излучением, и поняли, что энтропия чёрной дыры должна быть пропорциональна площади. Возникает вопрос: что такое энтропия чёрной дыры, где вот эти микросостояния чёрной дыры? У неё есть только масса, заряд и момент вращения — всё, 3 штучки. Оказывается, люди, которые занимаются теорией струн, они обнаружили такое интересное явление: если мы возьмём мембраны, в струнах есть не только струны, но ещё и мембраны, вот если мы эти самые мембраны возьмём, определённым образом их расставим в пространстве, и тут уже можно догадаться, что можно расставить их разными образами, разными способами, сделано это всё в том режиме, когда они с собой слабо взаимодействуют, и будем включать постепенно взаимодействие, они закрутятся и превратятся в чёрную дыру. И разные способы расстановки этих мембран дают одну и ту же чёрную дыру — и вот энтропия, пожалуйста. И потом посчитали и сказали, что, действительно, вот та энтропия, которая получается из этого рассмотрения, она действительно пропорциональна площади получаемой чёрной дыры. Ну, чёрную дыру, конечно, надо обнаружить, но тем не менее уже интересен такой теоретический способ обхода зоны информационного парадокса, точнее парадокса энтропии.
Возвращаемся к кварк-глюонной плазме. Что такое кварк-глюонная плазма? Вот есть 2 ядра золота, они в виде блинов нарисованы, потому что лоренцевское сокращение, вы знаете наверно, если что-то движется со скоростью близкой к скорости света, оно испытывает лоренцевское сокращение. Вот эти 2 блина, значит, летят, сталкиваются, они летят в США рядом с городом Беркли, это коллайдер RHIC называется, ионный коллайдер. Вот они летят в этом самом США, друг с другом сталкиваются, и температура в этом столкновении настолько высокая, что кварки и глюоны они ведут себя как свободные частицы, как суп фактически, причём буквально как суп, потому что вот в получающемся состоянии она ведёт себя как жидкость, у него есть какая-то вязкость, у него есть какая-то энтропия, у него есть какая-то температура. Возникает вопрос: как посчитать эту вязкость? Можно взять квантовую хромодинамику, которая была разработана ещё в 70-х годах, и просто посчитать. Оказывается, этот, вот что померили на RHIC’е, отношение вязкость к энтропии от 0,08 до 0,19. Берём КХД, считаем, получается больше 1,6 — очевидно, не сходится. Ладно. Есть вот этот самый подход AdS/CFT-соответствие, который говорит замечательно следующую вещь: если я возьму теорию струн, и вот 5 измерений — я не буду про них думать, они каким-то образом там скручены, а остальные 5 вот они образуются в пространство анти-де Ситтера (это неважно). А у этого пространства пятимерного есть четырёхмерная граница, в пятимерном пространстве у меня живут струны (там есть у меня гравитация, там гравитационная теория), на границе этого пятимерного пространства живёт теория поля, в которой нет гравитации. Более того, соответствующие состояния внутри, в пятимерном пространстве, они слабо друг с другом связаны. То есть, я там могу использовать теорию возмущений, линейное приближение и так далее. А на границе у меня получается практически КХД — квантовая хромодинамика, и сильно связанное друг с другом. То есть, чтобы посчитать вот такого сорта явление, которое очень тяжело посчитать при помощи КХД на границе, я могу перейти в пятимерное пространство и посчитать его там. И теория струн нам говорит, что теория внутри и теория на границе, они находятся между собой в абсолютном соответствии, как голография. Вот поэтому здесь нарисован магистр. То есть, голография даже в более глубоком смысле, чем то, что мы привыкли видеть, когда у нас есть вот эти вот рамочки стеклянные, через них смотрим и вроде можно немножко вправо-влево подвигаться и посмотреть, что там за кубиком, например, шарик и посмотреть. Но невозможно развернуть пластинку и посмотреть, а что там сзади-то вот этого шарика — так нельзя. То есть, нужно каким-то образом это специально организовывать. А здесь можно, вот здесь вот можно посмотреть, что у него там на затылке сзади, обойти его. И здесь то же самое: абсолютное соответствие между четырёхмерной теорией и пятимерной теорией. И вот это соответствие нам посчитало вот такую вот величину, что прекрасно соответствует экспериментальным данным. Замечательно. И вообще вот этот механизм вот этого соответствия он может, и это понятно, здесь никакой стандартной модели ничего нет, это просто как математический инструмент, который позволяет какие-то явления такого сорта, как кварк-глюонная плазма, например, или высокотемпературная сверхпроводимость, которая тоже не объяснена толком, как какие-то другие явления из физики твёрдого тела, описывать на языке струн и какие-то умозаключения строить, которые невозможно было бы построить без этого соответствия, ну, или они были бы очень неточными, как вот здесь мы видим.
Ну и, наконец, другой пример, который мне очень нравится, он мне нравится тем, что он показывает, что теория струн — классифицируемая наука. Все слышали про Большой взрыв. 15 млрд лет назад он бахнул, и с тех пор мы живём. Инфляция произошла и так далее. И в рамках обычной теории (теории относительности, квантовой теории) не понятно, как его объяснять, потому что есть сингулярность вот этого Большого взрыва. Теория предлагает такую очень интересную модель, помним: она живёт в 10 измерениях, то есть, десятимерная теория, а мы живём в 4 измерениях. Она говорит: ну ладно, пусть мы живём на такой мембране. Трёхмерная мембрана, которая как-то эволюционировала со временем, вот мы на ней живём. И в этом десятимерном пространстве есть другая мембрана, которая стоит, может, например, рядом. Наша мембрана — она лёгкая, та мембрана — она тяжёлая, что бы это ни значило, и они каким-то образом друг на друга двигаются. В момент соударения с точки зрения человечков, которые живут на мембране лёгкой, это выглядит как Большой взрыв, то есть, разогрев, инфляция — вот такие дела. Ну и дальше они, например, расходятся, Вселенная становится плоской, потом могут опять сойтись и опять бахнуть. Интересно здесь то, что эта вот модель она классифицируема. Мы можем взять микроволновый фон, излучение, которое обнаружили в 50-х, по-моему, годах ещё и которое сейчас изучают при помощи спутников WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), COBE (Cosmic Background Explorer). И при помощи изучения свойств излучения, которое идёт к нам из космоса со всех сторон одинаковое, это эхо Большого взрыва, как в микроволновке, там такие же волны, только очень слабые. И, изучая свойства этого микроволнового фона, можно понять, было такое вот… — давайте скажем по-другому: вот эта модель она предсказывает определённые явления, как, например, гравитационные волны, которые были перед инфляцией, и, изучая микроволновый фон, можно сказать, были гравитационные волны или не было. Если их точно не было, то эта модель — всё, неверна. И вот 1,5 года примерно назад эксперимент BICEP2, он заявил, что обнаружил определённые свойства этого излучения, которые называются тензорной поляризацией. Из этих свойств следовало, что вот эта теория неверна, что гравитационных волн нет. Но потом выяснилось, что эти поляризации идут от галактической пыли и всё, что они там сказали, всё неправильно, но люди уже написали десятки статей, и все рады. И мы можем, смотрите, возвращаться вот к этой модели и говорить, что она всё-таки наверно неверна. Но можно опять, естественно, раз это всё-таки фальсифицируемая вещь, можно опять взять этот эксперимент, провести его более аккуратно и обнаружить, есть всё-таки там гравитационные волны или нет.
И в качестве заключения хотелось бы сказать общий смысл вот этой вот теории. Физики до недавнего времени, наверно только лет 30 назад или 50, начали задумываться над такими вопросами. Они описывали вопросы сорта «как», то есть, как описать что-то, как излучает нагретое тело, как работает фотоэффект. После того, как были объяснены основные какие-то явления, люди стали задумываться о том, «почему»: почему, например, у электрона отношение масс протона к электрону 1000. Как-то непонятно совершенно. Почему у нас 3 поколения частиц, почему время одно, а пространства 3? И вот на такого сорта вопросы теория струн и пытается дать какого-то сорта ответы. Спасибо за внимание.
Помощник. Спасибо за лекцию, сейчас передаю вам другой микрофон.
Если у кого-то есть вопросы, то поднимаем руку, я вам передаю микрофон, и вы задаёте его чётко и громко. Так, кто будет первым?
Эдвард Мусаев. Смело и открыто.
Слушатель №1. Меня зовут Дима, у меня такой вопрос по поводу Большого адронного коллайдера: там же было большое количество экспериментов, то есть, они как-то соотносятся с теорией струн, подтверждают, опровергают, то есть, что-то он дал для данной теории или нет?
Эдвард Мусаев. Пока нет. То есть, пока они, во-первых, он ещё не вышел на полную мощность, да, он работает только на 7 ТЭв, а должен на 14 работать. Но пока он только обнаружил Хиггс, и следующее, что мы ожидаем от этого большого адронного коллайдера — это суперсимметрия и тёмная материя. Уже сейчас какие-то есть сигналы, но они очень слабое превышение имеют над фоном, и люди к ним не относятся всерьёз. Тем более что они то появляются, то пропадают. Поэтому пока нет.
Слушатель №2. (Плохо слышно, что-то про линейный коллайдер).
Эдвард Мусаев. Он отличается от большого адронного коллайдера тем, что он не адронный, но тем не менее большой. Адронный коллайдер — это инструмент типа молотка. Вот нужно что-то исследовать, например, какой-то механизм, вот можно бахнуть по нему молотком и посмотреть, что получилось. А линейный коллайдер, который лептонный, он как инструмент вроде отвёртки, что можно аккуратненько разобрать и посмотреть, как чего устроено. И вот чтобы не было такого вот этого мусора, который образуется при бахании молотком, — он мешает. И вот предполагается, что на этом большом другом коллайдере, не смотря на то, что у него энергия ниже, на нём можно более аккуратно всё это исследовать.
Слушатель №3. Спасибо за лекцию, во-первых. И вопрос такого характера: если мы описываем Вселенную как мембрану, получается, мы приходим к бесконечному множеству Вселенных. Так?
Эдвард Мусаев. Да.
Слушатель №3. Спасибо. В этом вопрос был.
Эдвард Мусаев. Ну, тогда я ещё дополню. Можно предположить, что на других Вселенных живут какие-то другие цивилизации и более того, на других мембранах, можно считать 2 разные мембраны, на обеих из которых живёт какая-то физика. И эта физика, она может быть разной. Например, у нас есть электрон, а у них, например, нет электрона, или, например, вот мы существа из плоти и крови, из адронов, а там будут существа какие-то построены из фотонов, например. Но, что интересно, между этими мембранами можно обмениваться информацией при помощи гравитации. Обычные взаимодействия привязаны к этим мембранам, а гравитация ходит через них. И можно придумать такой гравитационный телефон, позвонить с одной мембраны на другую, спросить, как там у них дела, как у них масса или, я не знаю, ну что-нибудь, из чего они сделаны. Но это уже области спекуляции, понятно.
Слушатель №4. Здравствуйте, меня зовут Влад, у меня вот такой вопрос: относительно недавно открыли бозон Хиггса на Большом андронном коллайдере, с довольно большой достоверностью. И мне интересно, в теории суперструн уже сопоставили какой-то определённый набор колебаний у струны вот этому бозону Хиггса и как-то объяснили его существование или нет?
Эдвард Мусаев. Да, конечно, это сделали ещё до того, как его открыли. Тут проблема в том, чтобы построить какую-то модель, которая удовлетворительно бы описывала мир, а пока они дают — ну, вроде что-то похоже, вот здесь вроде как-то у нас одинаково, но протон распадается слишком быстро — такого сорта. Всё хорошо, но протон распадается. Но можно, например, другую теорию придумать, где он не распадается, но получается 4 поколения кварков. Такого сорта. Но, вообще говоря, они всегда стараются максимальное количество имеющихся экспериментальных данных сразу же объяснить, даже не имеющихся, даже когда Хиггса ещё не обнаружили, они пытались уже объяснить тот Хиггс, который есть.
Помощник. Есть ещё вопросы у кого-то?
Слушатель №5. Да, спасибо за лекцию. И вот если мир на мембране подразумевает бесконечность Вселенной, а Вселенная, например, окажется небесконечной, значит, теория струн в ней не работает?
Эдвард Мусаев. Значит, эта модель не работает. То есть, это не необходимое следствие теории струн, это одна из моделей, которую можно построить. То есть, вот эта разница между той моделью, которую я показывал до этого, с компактификациями, здесь у меня лишние пространства, они свёрнутые в клубочек. А здесь они большие и в них может гравитация распространяться. Этот вопрос того, что на самом деле есть. То есть, вот набор моделей, пожалуйста, выбирайте. Тут уже вопрос к экспериментаторам. И смогут ли они это всё измерить и проверить.
Слушатель №6. Здравствуйте. У меня вот такой вопрос: не могли бы вы привести какие-нибудь исторические справки вот по поводу теории суперструн, то есть, когда она только зарождалась, на каком уровне сейчас находится, все эти, ну, скажем так, выкладки, и что её ждёт в дальнейшем?
Эдвард Мусаев. Теория струн появилась в 60-е, по-моему, или 70-е годы, в конце 60-х—начале 70-х, когда люди пытались описать теорию сильных взаимодействий, то есть, теорию взаимодействий между протонами и нейтронами, и между адронами, тогда квантовая хромодинамика только-только зарождалась, и она не играла роли такой доминирующей теории. И предположили, что между кварками натянута такая струна, внутри которой, как соленоид, как обычный соленоид, внутри соленоида магнитное поле, а здесь внутри было такое глюонное поле, и вот смотрели на эту теорию. Она достаточно неплохо описывала какие-то резонансные явления в квантовой хромодинамике в сильных взаимодействиях, но потом выяснилось, что в спектре колебаний этой струны есть частица со спином 2, которая похожа на гравитон, который тоже имеет спин 2, и люди загорелись идеей. А потом ещё выяснится, что она не особенно хорошо описывает сильное взаимодействие, и люди загорелись идеей всё-таки построить на основе той теории, которая была сделана для сильного взаимодействия, построить теорию для всех взаимодействий. Это в некотором смысле первая революция. Следующая революция произошла в 1995 году, насколько я понимаю хронологию, когда придумали М-теорию, когда объединили все 5 взаимодействий. Дальше обнаружили одно из тех трёх соответствий и стали ещё более уверены в своих силах, что можно теперь всякие проводимости изучать и кварк-глюонные плазмы. Вот сейчас она находится вполне в живом состоянии. В 80-е годы люди были уверены, что вот-вот, вот ещё чуть-чуть — мы найдём правильное многообразие, правильно закрученное пространство и опишем всю физику. Но, к сожалению, этого не произошло, сейчас люди в этом не особенно уверены, но ищут какие-то другие пути. Сейчас в данный момент люди наиболее сфокусированы на поиске и объяснении тёмной материи и инфляции через струны.
Слушатель №7. Здравствуйте. Меня зовут Алексей, спасибо вам за лекцию. У меня такой вопрос: частота имеет бесконечное множество значений, а количество частиц, из которых состоит наша материя, конечно. У меня вопрос: как это согласуется в теории суперструн?
Эдвард Мусаев. Замечательный вопрос. Ответ не менее замечательный. Они все массивные, все лишние частицы, которые все вот есть какой-то набор безмассовых частиц, которые мы видим, а все остальные, у них настолько большая масса, она порядка планковской массы 105, по-моему, 10-5 грамм — это очень большая масса для частицы и их просто не видно. То есть, мы видим только самые-самые-самые вот основные ноты, а все остальные гармонический ряд этих колебаний — это струны, мы не видим его просто, но он есть.
Слушатель №7. А как они взаимодействуют с внешним миром, который мы наблюдаем?
Эдвард Мусаев. Ну, как-то взаимодействуют, каким-то образом. То есть, можно написать всякие вершины взаимодействия и описать, как они взаимодействуют, но это не особенно важно, потому что взаимодействие будет настолько мало по сравнению с основным взаимодействием, что его просто практически невозможно обнаружить, то есть, можно, конечно, теоретически, но на сегодняшнем уровне развития техники — нет.
Ссылки
XX2 ВЕК: https://22century.ru/.
https://www.youtube.com/c/CenturyXxii — канал портала XX2 ВЕК на Youtube.
https://vk.com/kurilka.moscow — «Курилка Гутенберга».
