Новое исследование показывает, что теория струн — не просто красивая математическая гипотеза, а логическое следствие фундаментальных принципов, которым подчиняется наша Вселенная. Взяв за основу всего два свойства поведения частиц при высоких энергиях, ученые строго вывели ключевые признаки струнной теории.
Если разламывать яблоко на все более мелкие части, можно дойти до молекул, атомов, а потом до протонов и кварков. Кажется, что это предел. Но теория струн утверждает: если уменьшиться еще в миллиард миллиардов раз, обнаружится новый уровень — крошечные вибрирующие нити (струны). Из их вибраций получаются все известные частицы, включая гипотетический гравитон, который «переносит» гравитацию.
Теория струн появилась в 1960-х годах как попытка примирить квантовую механику (законы микромира) и общую теорию относительности Эйнштейна (законы гравитации и больших масштабов). Проблема в том, что когда физики пытаются совместить их в расчетах, уравнения «взрываются» — уходят в бесконечность, теряя смысл. Теория струн эти бесконечности убирает.
Однако у нее есть две большие слабости. Во-первых, для согласованности математики струнам нужно не четыре измерения (три пространственных плюс время), а десять, что многих смущает. Во-вторых, проверить теорию экспериментально невозможно — для этого потребовался бы ускоритель частиц размером с галактику.
Вместо того чтобы исходить из струн, команда физиков применила так называемый «бутстрепный подход» (от английского «подтянуть себя за ремни»). Они взяли всего два очень общих предположения о том, как должны вести себя сталкивающиеся частицы при огромных энергиях, и посмотрели, что из этого следует.
Первое предположение («сверхмягкость»): при очень высоких энергиях частицы резко теряют желание разлетаться в стороны после столкновения. Словно они «пролетают сквозь» друг друга. Это свойство математически предотвращает появление неконтролируемых бесконечностей.
Второе предположение («минимальные нули»): существуют особые точки, в которых вероятность рассеяния частиц падает ровно до нуля. Ученые предположили, что таких точек должно быть минимально возможное количество (без этого уравнения становятся противоречивыми).
Проанализировав математические следствия этих допущений, ученые доказали, что единственным согласованным решением является набор свойств, характерных именно для теории струн.
Из расчетов автоматически возникла так называемая «струнная башня» — бесконечная лестница частиц, у которых массы и спины растут строго определенными шагами. Этот спектр был открыт физиком Габриэле Венециано еще в конце 1960-х годов, но тогда никто не понимал, откуда он берется. Позже выяснилось: такая лестница в точности соответствует гармоникам вибрирующей струны (как у скрипичной струны — основная нота и обертоны).
Как отмечает один из авторов, струны «просто сами появились» из расчетов, хотя изначально не постулировались. Из базовых предположений вывелась не только бесконечная башня массивных вращающихся частиц, но и детальные характеристики их взаимодействий.
Авторы подчеркивают, что их работа не является экспериментальным подтверждением теории струн. Однако с теоретической точки зрения она показательна: из очень общих предположений о рассеянии частиц следует единственное непротиворечивое математическое описание, совпадающее со струнным. Исследователи сравнивают свой метод с решением судоку, где из нескольких правил получается уникальный результат.