В течение двух месяцев, с февраля по март 2020 года, главная надежда теоретической физики последних 40 лет – теория струн или М-теория получила два ощутимых удара со стороны экспериментальной физики. Две совершенно не связанные друг с другом научно-исследовательские группы заявили о том, что полученные экспериментальные данные противоречат предсказаниям теории.
Почему это так важно?
Чтобы осознать, что такое теория струн для современной физики, нужно напомнить себе что послужило причиной ее появления и какие надежды были на нее возложены.
Все, что мы знаем о мире вокруг нас
На рубеже конца девятнадцатого и первой половины двадцатого века человечество создало то, что можна назвать основной базой современной научной картины мира. В основе этой парадигмы лежит теория относительности Эйнштейна (общая и специальная – ОТО и СТО) и квантовая механика в изложении Стандартной модели. Сторого говоря, теория относительности появилась еще вначале двадцатого века, а теоретическая конструкция физики элементарных частиц, названная Стандартной моделью, была окончательно сформирована только в 80-х годах 20 века. Конечно на наше представление о мире оказала влияние давно известная и проверенная механика Ньютона, но в современных условиях, она превратилась в приближение или частный случай для малых скоростей и относительно крупных (неквантовых) объектов.
Таким образом, за сравнительно короткое время, у нас появилась картина того, как устроена наша Вселенная на макро и микроуровне. Пользуясь этим рывком в фундаментальной науке, человечество сумело быстро создать целый пакет новых технологий (от мобильных телефонов и компьютеров, до спутников и атомной бомбы), которые стали во многом определять наш современный образ жизни. В итоге, людей на планете стало в несколько раз больше, а качество жизни улучшилось.
Но обнаружилась одна очень серьезная проблема
Квантовая механика совершенно не объединяется с ОТО (общей теорией относительности). Две важнейшие для нашего мировосприятия теории не дружат друг с другом. При этом, противоречия настолько глубокие, что автор теории относительности и человек сыгравший важную роль в зарождении квантовой механики А. Эйнштейн после знаменитого Сольвеевского конгресса в Брюсселе сказал: ” Чем большим успехом квантовая теория пользуется, тем глупее она выглядит”.
В то время как теория относительности создавалась на принципах однозначной предсказуемости и устойчивой физической закономерности, квантовая физика двигалась в прямо противоположном направлении. Корпускулярно – волновой дуализм, соотношение неопределенности и другие новые понятия, описывающие верроятностный характер событий, превращали квантовую физику в мир неопределенности и вероятности, где несуществует не-только причинности, но и обьективной реальности. Квантовая физика устами своих основателей утверждала, что миром правят неопределенность и вероятность.
Раскол углублялся
Оказалось что квантовая механика не в состоянии описать важнейшее фундаментальное взаимодействие – гравитацию, а ОТО никак не помагает ответить на вопрос, чем-же по сути является наше пространство с точки зрения квантовой физики. Мы не только не знаем, что конкретно представляют из себя элементарные частицы, но и не можем ответить на простой вопрос о том дискретно или непрерывно наше пространство. После многих лет бесплодных дисскусий в 1926 году Эйнштейн сказал Максу Бору дословно следующее: ” Квантовая механика конечно достойна всяческого уважения. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не окончательное решение. Теория хоть и дает многое, но не приближает нас к настоящему раскрытию тайн Старого Господина (Бога).”
Попытки все исправить
Учитывая тот факт, что обе теории имеют огромное значение для нашей научной картины, ученые потратили огромное количество времени, сил и ресурсов на поиск путей обьединения и создание единой теории получившей условное название – теория всего. Эта новая универсальная теория должна была не только обединить ОТО и квантовую механику, но и объяснить существование фундаментальных физических констант. По сути, без такой теории ни ОТО ни квантовая механика не могут считаться законченными теориями, а значить в какой-то момент могут быть отвергнуты или преобразованы чем-то совершенно новым, что по праву станет называться “новой физикой”.
Главная надежда
Первые попытки соединить две теории в одну концепцию были предприняты еще в первой половине 20 века в рамках создания теории квантовой гравитации. Практически сразу выяснилось, что исходные теории не просто имеют отличия, а опираются на проивоположные наборы принципов. В то время как квантовая механика описывает эволюцию атомов и элементарных частиц на фоне внешнего пространства времени, ОТО утверждает что такого пространства вообще не существует. Вместо этого, как говорит общая теория относительности само пространство время это динамическая переменная которая зависит от характеристик находящихся в нем классических систем (атомов и элементарных частиц).
Сначала физики попытались квантовать само пространство время, тем самым открыв дорогу для квантовой гравитации, но так как физический смысл такого квантования совершенно неясен, создать что-либо непротиворечивое и способное опереться на экспериментальную составляющую так и не удалось.
В последующем большинство усилий было направлено на создание различных вариантов теории струн и петлевой квантовой гравитации. Если последняя пыталась создать концепцию дискретных частей пространства, называя такие фрагменты преонами, что по сути было продолжением попыток разделить (квантовать) пространство время, то первая (теория струн) пошла дальше и попыталась изменить саму мерность нашего пространства.
В середине 80-х на основе теории струн и суперсимметрии появилось пять различных теорий суперструн, и это научное направление стало главной надеждой целого поколения физиков на рубеже 20-21 века. Возникшая в начале 70-х квантовая теория струн основана на гипотезе о том, что элементарные частицы и их взаимодействия это колебания ультамикроскопических структур – струн, которые в физическом смысле представляют из себя одномерные протяженные объекты. Все это оказалось возможно, лишь в пространствах с большей мерностью (26 или 10 измерений), а то что в макроскопическом мире дополнительные измерения не наблюдаются, стали обьяснять при помощи двух механизмов компактификации (свертывания или локализации). Первый механизм предполагает скручивание дополнительных измерений до размера планкоской длины, а второй локализацию всех частиц многомерной Вселенной на листе (бране) представлющей из себя наблюдаемую нами трехмерную Вселенную.
Две революции
Несмотря на то, что ни один из вариантов теории струн не дает возможности провести так называемый критический эксперимент (эксперимент результат которого однозначно определяет является ли конкретная гипотеза или теория верной), популярность этой концепции выросла настолько, что можно говорить о двух революция, или волнах популярности этой теории.
Сначала в середине 80-х физики предположили что теория струн могла-бы описать все элементарные частицы в рамках теории обьединения (теории всего) и этот период мы называем первая струнная революция. Потом, в середине 90-х в начале 2000-х была обнаружена особая закономерность (дуальность), которая указывала на то, что различные суперструнные теории в действительности представляют из себя предельные случаи одной 11-мерной теории названной М-теория. Это событие ознаменовало начало второй суперструнной революции.
М-теория
Несмотря на то, что автор этого названия американский физик-теоретик Эдвард Виттен не обьяснял что значит М, многие считают что это обозначает матричная или мембранная теория, которая утверждает что видимый макромир со всеми его атомами и элементарными частицами развернут на бране из 3 измерений + время, а остальные измерения находятся во внешней зоне (за пределом нашей браны). Единственная возможность обнаружить присутствие дополнительных измерений существует при помощи гравитации, которая будучи результатом искривления пространства-времени не локализована на бране и в результате должна приводить к небольшим отклонениям силы гравитации на особо малых расстояниях.
А что в действительности?
Сначала проблемы ноявились у теории петлевой квантовой гравитации. В 2011 году при изучении гамма-всплесков источника GRB 041219A зарегистрированных европейским космическим телескопом Integral выяснилось, что у пространства нет никакой зернистости вплоть до размеров в сотни тысяч раз меньше планковской длинны, что прямо противоречит основному предположению теории петлевой квантовой гравитации.
Потом под удары попала суперсимметрия (удвоение существующего числа элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров с другим спином). При этом, суперсимметрия остается обязательным условием существования большинства моделей теории струн.
В 2011 году серия экспериментов на БАК (Большой адронный коллайдер), которая должна была проверить фундаментальные выводы теории суперсимметрии, не подтвердила как основные положения этой теории так и ее упрощенную версию.
К концу 2012 года на детекторе LHCd все того-же БАК, была накопленна статистика распада В-мезона, которая оказалась в рамках Стандартной модели и тем самым опровергала расширение предполагаемое суперсимметрией.
В 2013 году рузультаты проверки электрического дипольного момента электрона не подтвердили суперсимметричные предположения. В том-же году появилось много критиков суперсимметрии. Советско-американский физик Михаил Шифман прямо сказал тогда, что суперсимметрия бесперспективна и от нее надо отказаться, чтоб новое поколение физиков-теоретиков не стало очередным потерянным поколением.
В 2015 году две коллаборации LHCd и CMS при анализе распала странного В-мезона опять не нашли доказательст суперсимметрии.
Как говориься в русской поговорке: “пришла беда – отворяй ворота”. Проблемы М -теории не ограничились экспериментальными противоречиями связанными с суперсимметрией.
Прямые удары по М-теории
В феврале 2020 года команда астрофизиков Кембриджского университета (руководитель Кристофер Рейнольдс) опубликовала статью о попытках обнаружить аксионы – гипотетические частицы сверхнизкой массы предсказываемые многими моделями теории струн. При помощи обсерватории Чандра исследовали активное ядро галактики NGK 1275. Несмотря на идеальные условия (в этом конкретном случае) для преобразования фотонов в акисоны или аксионоподобные частицы, ничего подобного в реальности обнаружить не удалось.
10 марта 2020 года команда профессора Вашингтонского университета Эрика Эдельбергера опубликовала результаты исследования гравитации на дистанциях менее 50 микрометров. Несмотря на основательную подготовку (для этих опытов несколько лет строили и дорабатывали специальную установку), никаких следов свернутых измерений обнаружить не удалось. Оказалось что даже на таких малых масштабах гравитация меняется в строгом согласии с законом обратных квадратов, как и при измерениях с крупномаштабными космическими обьектами.
Подведем итоги
Для того чтобы объединить квантовую механику и ОТО нужна новая теория всего. Главным кандидатом считается теория струн или ее более новая версия М-теория. В современной формулировке М-теория это матричная теория с 11 измерениями. Эта теория предполагает компактификацию и суперсимметрию, но эксперименты последних лет (упомянутые выше) прямо противоречат этим предположениям.
Выводы
Проблемы М-теории, как и общая проблема несогласованности ОТО и квантовой механики в целом, объясняются отсутствием новой идеи имеющей физический смысл. Вместо этого мы наблюдаем поиск возможных вариантов реальности, на основе математического формализма в форме новых моделей в алгебраической и дифференциальной геометрии и топологии. Это дает импульс развитию некоторых направлений теоретической физики, но по факту не имеет никакой связи с реальным физическим миром.
Новая теория, которая должна прийти на смену многообещающей в прошлом и падающей на наших глазах М-теории, будет основываться на совершенно новых принципах и, в противовес математическому формализму, изначально может быть сформулирована в виде логически непротиворечивой модели. Идея, описывающая физический смысл новой конструкции мироустройства, которая позже будет представлена в виде количественной теории.