ТЕОРИЯ СУПЕРСТРУН И КОСМОЛОГИЯ

И. В. Владленова

Существует некоторая надежда на то, что теория суперструн может стать теорией, способной непротиворечивым способом объединить все известные фундаментальные взаимодействия в природе и выступить в роли «теории Всего». Струны возникли в адронной физике как динамическая основа модели Венециано и дуально-резонансных моделей. Как отмечает Нобелевский лауреат по физике С. Вайнберг, «в процессе работы стало ясно, что формула Венециано и её расширения и обобщения – не просто удачные догадки, а теория физических сущностей нового типа, получивших название релятивистских квантово-механических струн. Конечно, обычные струны состоят из частиц – протонов, нейтронов, электронов. Но новые струны совсем другие: предполагается, что протоны и нейтроны состоят из них. Дело обстояло не так, будто на кого-то сошло вдохновение, и он догадался, что материя построена из струн, а затем начал строить соответствующую теорию; на самом деле теория струн была построена до того, как кто-то понял, что это такое [3, с. 167]. Основу теории представляет фундаментальный релятивистский, протяжённый, нелокальный объект с характерным размером порядка планковской длины (таким образом, на расстояниях меньше 10^-33 см мы отказываемся от локальной теории поля, заменяя её нелокальной теорией). В рамках суперструнного подхода находят свое развитие идеи Калуцы-Клейна, «позволяющие закодировать всю структуру модели объединения (калибровочные симметрии, состав полей, константы связи) в геометрических и даже топологических свойствах некоторого многообразия (это известно как формализм «компактификации»)» [9, с. 88]. Таким образом, возродилась фантастическая идея Калуцы-Клейна о том, что пространство-время имеет больше, чем четыре измерения. Эти идеи получили новое толкование в работах Шерка, Шварца, Креммера в связи со струнными дуальными моделями. Они предложили рассматривать дополнительные измерения как физические, равноправные с наблюдаемыми четырьма измерениями. Очевидное различие между четырьмя наблюдаемыми и добавочными микроскопическими измерениями было предложено интерпретировать как спонтанное нарушение симметрии вакуума (как результат спонтанной компактификации дополнительных измерений) [1, с. 656].

При квантовании одна струна представляет собой бесконечную последовательность нормальных мод – последовательность массивных состояний в квантовой теории поля. При этом расщепление масс ?m² пропорционально натяжению струны Т. В теории суперструны Т ≈(10¹⁹ ГэВ)², в отличие от адронной физики, где Т ~ (1 ГэВ)². Струны бывают открытыми и замкнутыми. Открытые струны в качестве низших безмассовых состояний содержат частицы спина 1: поля Янга-Миллса, а замкнутые – частицы спина 2: гравитоны. На этом пути в теории струны возникает квантовая теория, объединяющая гравитацию и поля Янга-Миллса – переносчики всех взаимодействий. На расстояниях много больше планковской длины (10^{-33 см), или при энергиях много меньше массы Планка (1018} ГэВ), массивные состояния отщепляются, и возникает эффективная точечная теория поля (супергравитация и янг-миллсовская суперсимметричная теория) с фиксированными параметрами и составом частиц [5, с. 564].

Однако, несмотря на все свои преимущества и достоинства, теория суперструн остаётся лишь кандидатом на роль Теории всего. Дело в том, что в рамках теории суперструн тяжело сделать какое-либо физическое предсказание, существует также существенная проблема её экспериментального подтверждения. Не ясен также и физический принцип, лежащий в основе теории суперструн. Возможно, что существует обобщение принципа эквивалентности ОТО в пространстве всех струнных конфигураций, которое приводит к геометрическому описанию суперструн (с этим связано понимание того, как геометрические свойства определяют физику пространства-времени) [9].

В развитии теории струн было создано пять различных теорий: типа I, типа IIА и типа IIБ, теории гетеротических струн с калибровочными группами SO(32) и E₈xE_8?. В теории суперструн используются S-, T-, U-дуальности [3]. T-дуальность связывает две различные теории, компактизированные на многообразия большого и малого размера соответственно. Она является непертурбативной по струнному натяжению и пертурбативной в том смысле, что она верна в любом порядке по струнной константе связи. S-дуальность связывает теорию в режиме слабой связи и не может быть проверена по теории возмущений (она требует привлечения непертурбативных объектов). S-дуальность привела к эквивалентности теорий струн «чтобы получить какую-нибудь выгоду от S-дуальности, обычно на основании косвенных аргументов (анализ BPS-состояний, низкоэнергетическое описание) предполагают существование дуальности. Далее, исходя из этого предположения, уже получают все «точные» результаты. Но необходимо отметить, что S-дуальности остаются всего лишь предположением!» [3, c. 714]. U-дуальность образуется действием S- и T-дуальности, так как S- и T-дуальности не коммутируют друг с другом. Таким образом, даже замечательная идея дуальностей в теории суперструн является гипотезой.

А. Ю. Морозов отмечает, что главным недостатком, унаследованным от любых «дострунных» подходов к объединению взаимодействий, является отсутствие селективности: «Струнных моделей объединения оказывается ничуть не меньше, чем обычных, – сохраняется практически неограниченный произвол в выборе калибровочной группы, состава (струнных) полей и т. д. С другой стороны, основным стимулом поиска Великого объединения является вера в существование истинно фундаментальной, единственно правильной „теории всего”, свободной от какого-то ни было произвола (хотя с этим могут не согласиться, например, приверженцы антропного принципа» [9, с. 88].

Чтобы обосновать необходимость суперструнного подхода, следует ответить на вопрос: «Так уж необходима квантовая теория гравитации»? Целью этой теории является квантовое описание гравитации. Таким образом, она пытается связать два фундаментальных раздела: квантовую физику и Общую теорию относительности, которые описывают микро- и макромир. В ОТО пространство-время является динамическим, а в квантовой физике выступает в качестве фона, потому что вследствие слабости гравитационного взаимодействия в микромире им можно пренебречь. Квантование пространства-времени приводит к различным парадоксам, а сама природа этого квантовании остаётся не понятной. «Хотя никакого серьёзного оправдания стремлению совместить общую теорию относительности с квантовой механикой пока неизвестно, внимание к этой проблеме не ослабевает. Фактически в большинстве предпринимаемых попыток парадигма квантовой механики считается более ценной, чем идея о геометрии пространства-времени» [9, с. 89].

Основным объектом исследования реальности, который требует построения квантовой теории гравитации, считается ранняя Вселенная. Однако действительно ли нужна квантовая теория гравитации при решении космологических проблем в ранней Вселенной? «Современная космология развивается и ставит перед физикой элементарных частиц множество вопросов, прежде всего не ясны следующие аспекты: проблема небарионной тёмной материи, вопрос о происхождении космических лучей сверхвысокой энергии, проблема генерации барионной ассиметрии вселенной, вопрос о механизме раздувания, инфляции ранней вселенной и природе инфлатонного поля, проблема космологической постоянной» [11, с. 1304]. Благодаря открытию анизотропного реликтового излучения физики получили информацию о параметрах и процессах вселенной (ценно то, что реликтовое излучение несёт информацию о ранней вселенной) [11]. Нерешённых задач в космологии, а в особенности в космологии ранней Вселенной много, однако, можно ли решить их с помощью квантовой теории гравитации? Под термином «ранняя Вселенная» понимается заключительная стадия ускоренного расширения с последующим переходом к горячей фазе эволюции. Параметры Большого взрыва неизвестны, имеются только верхние ограничения, однако существует хорошо разработанная теория генерации космологических возмущений, в соответствии с которой можно рассчитать спектры начальных возмущений плотности вещества и первичных гравитационных волн в зависимости от космологических параметров [8, с. 1025]. Пока не существует общепринятой модели ранней Вселенной, потому что имеются неустойчивости предсказаний инфляционной парадигмы Большого взрыва: близости генерируемых спектров к плоскому виду, относительной малости амплитуды космологических гравитационных волн, трехмерной евклидовости видимой Вселенной и другие, которые могут быть получены в широком классе параметров моделей [8, с. 1025].

Комментарии