Главная теория струн прошла проверку на прочность, которой до сих пор не смогла соответствовать ни одна другая теория квантовой гравитации. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
М-теория объединяет в единой математической структуре все пять непротиворечивых версий теории струн (а также описание частиц, называемое супергравитацией). Она выглядит как каждая из этих теорий в разных физических режимах.
Введение
Быть «теорией всего» непросто. Перед такой теорией стоит очень сложная задача: вписать гравитацию в квантовые законы природы таким образом, чтобы на больших масштабах гравитация выглядела как искривления ткани пространства-времени, как описывал Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности. Каким-то образом искривление пространства-времени возникает как коллективный эффект квантованных единиц гравитационной энергии — частиц, известных как гравитоны. Но наивные попытки рассчитать, как взаимодействуют гравитоны, приводят к бессмысленным бесконечностям, что указывает на необходимость более глубокого понимания гравитации.
Теория струн (или, если говорить более технически, М-теория) часто описывается как главный кандидат на роль теории всего во Вселенной. Но нет никаких эмпирических доказательств в её пользу, как и в пользу каких-либо альтернативных идей о том, как гравитация может объединиться с остальными фундаментальными силами. Почему же тогда теории струн/М-теории отдают предпочтение перед другими?
Эта теория, как известно, утверждает, что гравитоны, а также электроны, фотоны и всё остальное, являются не точечными частицами, а скорее незаметно крошечными лентами энергии, или «струнами», которые вибрируют по-разному. Интерес к теории струн резко возрос в середине 1980-х годов, когда физики поняли, что она даёт математически непротиворечивое описание квантованной гравитации. Но все пять известных версий теории струн были «пертурбативными», то есть они переставали работать в некоторых режимах. Теоретики могли рассчитать, что происходит при столкновении двух гравитонных струн при высоких энергиях, но не могли рассчитать, что происходит при слиянии гравитонов, достаточно экстремальном для образования чёрной дыры.
Затем, в 1995 году, физик Эдвард Виттен открыл прародительницу всех теорий струн. Он обнаружил различные признаки того, что пертурбативные теории струн складываются в единую непертурбативную теорию, которую он назвал М-теорией. М-теория выглядит как каждая из теорий струн в разных физических контекстах, но сама по себе не имеет ограничений в области своей применимости — важнейшее требование для теории всего. По крайней мере, так предполагали расчеты Виттена. «Виттен смог выдвинуть эти аргументы, не записывая уравнения М-теории, что впечатляет, но оставляет много вопросов без ответа», — объяснил Дэвид Симмонс-Даффин, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института.
Два года спустя произошёл ещё один всплеск исследований, когда физик Хуан Мальдасена открыл соответствие AdS/CFT: голографическое соотношение, связывающее гравитацию в области пространства-времени, называемой антидеситтеровским (AdS) пространством, с квантовым описанием частиц (называемым «конформной теорией поля»), движущихся по границе этой области. AdS/CFT даёт полное определение М-теории для частного случая геометрий пространства-времени AdS, которые наполнены отрицательной энергией, заставляющей их искривляться иначе, чем наша Вселенная. Для таких воображаемых миров физики могут описывать процессы при всех энергиях, включая, в принципе, образование и испарение чёрных дыр. 16 000 статей, цитировавших работу Мальдасены за последние 20 лет, в основном направлены на проведение этих расчётов для лучшего понимания AdS/CFT и квантовой гравитации.
Эта базовая последовательность событий привела большинство экспертов к выводу, что М-теория является ведущим кандидатом на роль теории ТОЭ, хотя её точное определение во Вселенной, подобной нашей, остаётся неизвестным. Вопрос о том, верна ли эта теория, — это совершенно отдельный вопрос. Предполагаемые ею струны, а также дополнительные, свернутые пространственные измерения, в которых эти струны якобы извиваются, в 10 миллионов миллиардов раз меньше, чем могут разрешить такие эксперименты, как Большой адронный коллайдер. А некоторые макроскопические признаки теории, которые могли бы быть обнаружены, такие как космические струны и суперсимметрия, так и не проявились.
Между тем, другие идеи теории теории энтропии рассматриваются как имеющие ряд технических проблем, и ни одна из них пока не повторила доказательства математической непротиворечивости теории струн, такие как расчет рассеяния гравитон-гравитон. (По словам Симмонс-Даффин, ни одному из конкурентов не удалось завершить первый шаг, или первую «квантовую поправку», этого расчета.) Один философ даже утверждал, что статус теории струн как единственной известной непротиворечивой теории является доказательством ее правильности.
К числу отдаленных конкурентов относятся асимптотически безопасная гравитация, теория E8, некоммутативная геометрия и причинные фермионные системы. Например, асимптотически безопасная гравитация предполагает, что сила гравитации может изменяться при переходе к меньшим масштабам таким образом, чтобы решить проблему вычислений, связанных с бесконечностью. Но пока никому не удалось реализовать этот прием.
Данная статья была перепечатана на сайте TheAtlantic.com.
Источник: www.quantamagazine.org
