Что является фундаментальным принципом теории струн?
Один из универсальных уроков последнего столетия состоит в
том, что известные законы физики находятся в соответствии с принципами
симметрии. Специальная теория относительности основана на симметрии,
описываемой принципом относительности, на симметрии между всеми системами
отсчета, движущимися относительно друг друга с постоянной скоростью.
Гравитационное взаимодействие, в соответствии с его описанием в обшей теории
относительности, основано на принципе эквивалентности, обобщающем принцип
относительности на случай произвольным образом движущихся систем отсчета.
Наконец, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия основываются на
более абстрактных принципах калибровочной симметрии.
Физики, как мы уже говорили, склонны придавать особое
значение принципам симметрии, поднимая их на пьедестал объяснения
мироустройства. С этой точки зрения гравитация существует для того, чтобы все
возможные системы отсчета были равноправны — т. е. чтобы выполнялся принцип
эквивалентности. Аналогично, негравитационные взаимодействия существуют для
того, чтобы в природе соблюдались соответствующие им калибровочные симметрии.
Естественно, такой подход заменяет вопрос о существовании определенного типа
взаимодействия вопросом о том, почему в природе действуют соответствующие
принципы симметрии. Но это, определенно, и есть прогресс, особенно когда
рассматриваемая симметрия оказывается исключительно естественной. Например, с
какой стати система отсчета одного наблюдателя должна быть более
предпочтительной, чем система другого? Напротив, с точки зрения фундаментальных
законов вселенной кажется гораздо более естественным трактовать все системы
отсчета одинаково; это и достигается принципом эквивалентности и введением
понятия о гравитации в структуру космоса. Аналогичное рациональное зерно есть и
в калибровочных принципах, лежащих в основе трех негравитационных
взаимодействий (хотя, как обсуждалось в главе 5, для полного понимания этого
факта требуется владение определенным математическим аппаратом).
В теории струн мы достигаем следующего уровня глубины при
объяснении явлений, поскольку все описанные принципы симметрии, а также
суперсимметрия возникают из структуры этой теории. В самом деле, если бы ход
истории был иным и физики открыли бы теорию струн несколькими столетиями
раньше, можно предположить, что все эти принципы симметрии были бы открыты при
изучении теории струн. Однако не стоит забывать, что в то время как принцип
эквивалентности дает нам понимание того, почему существует гравитация, а
калибровочные симметрии дают понимание того, почему существуют негравитационные
силы, в контексте теории струн эти симметрии есть лишь следствия. И хотя их значимость
никоим образом не преуменьшается, они — всего лишь часть выводов, содержащихся
в гораздо большей теоретической структуре.
Данное обсуждение со всей ясностью приводит к следующему
вопросу: является ли сама теория струн необходимым следствием некоторого более
широкого принципа, — возможно, но необязательно, принципа
симметрии, — в том же самом смысле, в котором принцип эквивалентности с
неизбежностью приводит к общей теории относительности, а калибровочные
симметрии приводят к негравитационным взаимодействиям? К моменту написания
данной книги ответ на этот вопрос никому не известен. Чтобы осознать его
важность, достаточно представить Эйнштейна, пытающегося сформулировать общую
теорию относительности без тех счастливых идей, которые посетили его в Бернском
патентном бюро в 1907 г. и привели к принципу эквивалентности. Нельзя
утверждать, что формулировка общей теории относительности была бы невозможна,
однако определенно она стала бы чрезвычайно затруднительной. Принцип
эквивалентности предоставляет сжатый, систематичный и мощный организующий
подход для анализа гравитационного взаимодействия. К примеру, описание общей
теории относительности, которое мы дали в главе 3, существенным образом
опирается на принцип эквивалентности, а роль последнего в полном математическом
формализме теории еще более критична.
В настоящее время теоретики находятся в положении Эйнштейна,
утратившего принцип эквивалентности. С момента проницательного предположения
Венециано в 1968 г. теория собиралась по кускам, открытие за открытием,
революция за революцией. Однако центральный организующий принцип, который
охватывает эти открытия, а также другие свойства теории в рамках одного
универсального и систематического подхода, который делает существование каждого
ингредиента абсолютно неизбежным, все еще не найден. Открытие этого принципа
было бы центральным событием в развитии теории струн, так как это, вероятно,
раскрыло бы внутренние механизмы теории с недостижимой ранее ясностью. Конечно,
нет гарантии, что такой фундаментальный принцип существует, однако эволюция
физики в течение последнего столетия дает теоретикам основания надеяться, что
он все‑таки есть. Так как мы рассматриваем следующую стадию развития теории
струн, нахождение ее «принципа безальтернативности» — той базовой идеи, из
которой вся теория появится с необходимостью, — имеет высший приоритет.
|
