Теорія струн народжується з «майже нічого»
Якщо взяти звичайне яблуко і почати розщеплювати його на дедалі менші частинки, ми знайдемо молекули, потім атоми, за якими слідують субатомні частинки — протони, а також кварки й глюони, що їх утворюють. Може здатися, що це і є сама першооснова матерії. Проте, згідно з прихильниками теорії струн, якщо зазирнути ще глибше — у масштаби, які приблизно в мільярд мільярдів разів менші за протон — ми виявимо дещо зовсім інше: крихітні вібруючі струни.
Теорія струн, концептуалізована понад 50 років тому як математична модель для пояснення природи матерії, стверджує, що абсолютно все у Всесвіті складається з цих невидимих енергетичних ниток. Різні модифікації та частоти їхніх коливань породжують різні типи частинок. Наприклад, фотон виникає внаслідок коливання відкритої струни на її фундаментальній частоті, тоді як гравітон — гіпотетична частинка, що переносить гравітаційну взаємодію — вважається результатом коливання замкненої струни.
Незважаючи на свою елегантність, теорія струн тривалий час залишається предметом палких дискусій. Головна проблема полягає в тому, що її математика вимагає існування щонайменше 10 вимірів (замість звичних нам чотирьох: трьох просторових і одного часового), а її передбачення досі неможливо перевірити експериментально через колосальні енергії, необхідні для цього. Без емпіричних доказів багато вчених скептично ставляться до статусу цієї моделі як реального опису нашого світу.
Метод «бутстрапу»: теорія з фундаментальних істин
Нове теоретичне дослідження, проведене фізиками з Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech) та Нью-Йоркського університету (NYU), проливає світло на унікальну природу цієї моделі. Замість того, щоб намагатися довести теорію безпосередньо через спостереження, автори звернулися до методу під назвою «бутстрап» (bootstrap — метод «самовитягування»).
Суть цього підходу полягає в тому, що дослідники не будують теорію з нуля, а беруть кілька базових припущень, які вважаються беззаперечно істинними для нашого Всесвіту, і дивляться, які саме закони фізики математично неминуче випливають із них.
Команда вчених, до якої увійшли професор теоретичної фізики Калтеху Кліфф Ченг та постдокторант NYU Грант Н. Реммен, поставила перед собою завдання: чи можна прийти до теорії струн, виходячи лише з загальних правил поведінки частинок під час їхнього зіткнення на надвисоких енергіях?
Чотири закони, що не залишають вибору
Результати дослідження, прийняті до публікації у престижному науковому журналі Physical Review Letters, виявилися приголомшливими. Сформулювавши лише чотири базові фізичні припущення щодо амплітуд розсіяння частинок, автори математично довели, що єдиною можливою теорією, яка задовольняє всі ці умови одночасно, є саме теорія струн.
Два з цих припущень є фундаментальними та загальноприйнятими у сучасній фізиці. Проте ключовий прорив забезпечили наступні два специфічні критерії:
«Ультрам'якість» струн (Ultrasoftness): Припущення про те, що на екстремально високих енергіях взаємодія між частинками стає «м'якшою» (вона наче розмивається у просторі), що робить математичні розрахунки сумісними та позбавленими безкінечностей, які зазвичай руйнують інші квантові моделі гравітації.
«Мінімальний нуль» (Minimal zero): Постулат, який стверджує, що поведінка і рух частинок відбуваються у максимально плавний, математично найпростіший спосіб.
«Усі точні деталі теорії струн виникли автоматично, включаючи нескінченну вежу масивних частинок зі спіном, які утворюють знамениті "гармоніки" струни», — пояснює співавтор дослідження Грант Н. Реммен.
Крок до розгадки квантової гравітації
Головна мета створення подібних теоретичних конструкцій — це розв'язання проблеми квантової гравітації. Сучасна наука спирається на дві фундаментальні, але несумісні між собою теорії: квантову механіку, яка описує мікросвіт, та загальну теорію відносності Ейнштейна, що пояснює макросвіт і дію гравітації. Теорія струн є провідним кандидатом на роль так званої «Теорії всього», здатної об'єднати ці два всесвіти в одну математичну структуру.
Нова робота не вирішує остаточно суперечки про те, чи є теорія струн фізичною реальністю нашого космосу, адже прямих експериментальних доказів все ще немає. Проте вона демонструє щось надзвичайно важливе: теорія струн не є випадковою чи штучно вигаданою математичною конструкцією. Вона виявляється єдино можливим математичним наслідком фундаментальних правил, за якими існує наш світ. Як зазначив Кліфф Ченг: «Струни просто випали самі собою із рівнянь».