М-теория, объединяющая все непротиворечивые варианты теории суперструн, обладает свойствами, которыми пока не может похвастаться ни один из её конкурентов.
Не так-то просто быть «Теорией Всего». Её задача — объединить гравитацию и законы квантовой физики таким образом, чтобы в пределе больших масштабов получалась Общая теория относительности Эйнштейна с её искривлённым пространством-временем. По задумке, это искривление должно проявляться как некий коллективный эффект от квантов гравитационного поля — частиц, известных как гравитоны. Однако если просто попробовать учесть взаимодействие гравитонов друг с другом, то в конечных выражениях возникают не имеющие никакого смысла бесконечности, говорящие о том, что требуется более глубокое понимание того, что же всё-таки такое гравитация.
Теория суперструн, или корректнее М-теория, часто называется наиболее вероятным кандидатом в теории, которая опишет всё что существует во Вселенной. К сожалению, пока нет никакой возможности проверить эту теорию эмпирически. Собственно, как и её конкурентов. Почему же тогда теоретики отдают предпочтение именно M-теории?
Как хорошо известно, в основе М-теории лежит предположение, что гравитоны, а также и другие частицы, в том числе хорошо нам знакомые электроны, фотоны, на самом деле не точечные объекты, а представляют собой крошечные «ленточки» или «струны», совершающие разнообразные колебания.
Интерес к теории струн резко возрос в середине 1980-х годов, когда физики осознали, что из неё можно математически последовательно вывести квантовую теорию гравитации. Однако хотя и существовало пять версий теории струн, все они носили приближённый характер и работали только в узком диапазоне параметров. Например, теоретики могли посчитать, что происходит, когда сталкиваются два гравитона с большой энергией, но не образование чёрных дыр.
В 1995 году физик Эдвард Виттен открыл прародительницу всех струнных теорий. Он обнаружил, что все приближённые теории струн можно объединить в одну самосогласованную теорию, лишённую приближений, которую назвал M-теорией. М-теория сводится при определённых условиях к теориям струн, но при этом не имеет пределов применимости — а это одно из главных требований к Теории Всего. Во всяком случае, такой вывод содержался в вычислениях Виттена. Интересно, что для доказательства ему даже не потребовалось писать исходные уравнения М-теории в явном виде. Это было красиво, но, конечно, оставляло множество вопросов без ответов.
Следующий взрыв интереса к этим работам случился два года спустя, когда другой физик Хуан Малдасена открыл так называемое AdS/CFT соответствие — голограммо-подобную связь между гравитацией в пространстве-времени, называемом анти-деситтеровским (anti-de Sitter, AdS), и квантовым описание частиц, называемым конформной теорией поля (conformal field theory, CFT). Причём движение частиц происходило на поверхности анти-деситтеровского объёма.
AdS пространство-время заполнено отрицательной энергией, и поэтому искривлено по иному, чем пространство-время, привычное нам. Для этого вымышленного мира, используя AdS/CFT соответствие, удалось полностью определить М-теорию и получить уравнения, которые верны для любых величин энергии. В частности, была решена задача об образовании и испарении чёрных дыр.
Собственно, с этих пор эксперты и считают M-теорию главным кандидатом в Теории Всего, хотя не могут ни доказать её корректность для нашей Вселенной, ни даже вывести её основные уравнения. Микроскопические струны, которые лежат в основе этой теории, так же как и дополнительные скрытые измерения, в которых они колеблются, в десятки квадриллионов раз меньше тех масштабов, которые мы можем различить на Большом адронном коллайдере. А гипотетические макроскопические проявления теории — такие, как космические струны или суперсимметрия, — до сих пор не обнаружены.
У альтернативных теорий, однако, дела ещё хуже. Учёные сталкиваются с серьёзными техническими сложностями при попытках что-то вычислить на их основе. И ни одному из конкурентов не удалось повторить даже первое достижение теории струн — рассчитать столкновение двух гравитонов большой энергии. Более того, не удаётся вычислить даже квантовую поправку первой степени для этой задачи.
Для тех, кому интересно почитать про альтернативы, перечислю самые известные из них: асимптотически безопасная теория гравитации, исключительно простая теория всего (также теория Лиси или теория E8), расширения Стандартной модели в некоммутативной геометрии и причинные фермионные системы.
Текст основан на статье «Why Is M-Theory the Leading Candidate for Theory of Everything?», написанной Natalie Wolchover и опубликованной в журнале Quanta Magazine.
Читайте также
Шесть причин следить за достижениями нейтринной физики
Лоренц-инвариантная виртуальная реальность
Подписывайтесь также на мой канал в Telegram!