Как экспериментально проверить теорию струн?



В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН завершён цикл исследований в области теории струн. Полученные результаты являются составной частью исследований, призванных помочь как в решении изначальной задачи теории – изучении сильного взаимодействия в нашем четырёхмерном пространстве, и, в частности, выяснении причины того, почему кварки «не любят одиночества», так и в экспериментальной проверке самой теории.

Теория струн возникла в конце 1960-х годов и за последующие десятилетия стала одним из основных претендентов на роль объединённой теории мироздания – «теории всего сущего».

Считается, что она сможет объяснить основы строения Вселенной или, как минимум, свойства фундаментальных частиц и их взаимодействия.

Одним из впечатляющих достижений теории струн является то, что эта теория объединила прежде непримиримые принципы общей теории относительности (гравитации) и квантовой механики.

Сторонники этой теории рассматривают в качестве основополагающих элементарных объектов не «привычные» нам точечные электроны или кварки, а одномерно-протяжённые колеблющиеся объекты, которые напомнили учёным струны и подарили название теории. Впрочем, экспериментально удостовериться в существовании струн пока невозможно:

требуемая точность на много порядков выше сегодняшних технических возможностей. Это представляет серьёзную проблему для теории с точки зрения её доказуемости, но физики-теоретики не сдаются и продолжают активно исследовать проблему.

Новую страницу в истории теории струн открыла гипотеза, выдвинутая в 1997 году американским учёным Хуаном Малдасеной. Названная в его честь гипотеза дуальности впервые предлагала двоякое описание одних и тех же процессов – в терминах струн с одной и теории полей Янга-Миллса с другой стороны.

Говоря упрощённо, гипотеза позволила, рассматривая теорию струн в рамках хорошо изученной теории возмущений в 10-мерном пространстве, делать предсказания для режима сильной связи адронов в 4-мерном пространстве.

В частности, Малдасена предположил, что теория струн «живёт» в специальном десятимерном пространстве, которое является прямым произведением двух пятимерных пространств – 5-мерной сферы и специального искривлённого 5-мерного пространства анти-де Ситтера (AdS). У последнего, названного в честь Виллема де Ситтера, есть четырёхмерная граница, которая и является нашим миром.

Согласно идее Малдасены, режим сильной связи в нашем 4-мерном пространстве можно соотнести с режимом слабой связи в пространстве анти-де Ситтера – делая вычисления в соответствии с теорией возмущения в теории струн, можно сделать предсказания для режима сильной связи на границе пространства анти-де Ситтера, то есть для нашего четырёхмерного пространства.

В частности, такой подход открывает новые интересные возможности для изучения взаимодействия кварков – описание взаимодействий, удерживающих кварки вместе, до сих пор не ясно.

Основным методом изучения гипотезы Малдасены является вычисление так называемого «эффективного действия» для полей в пространстве AdS. Эффективное действие позволяет определить корреляционные функции токов в нашем 4-мерном пространстве и, в принципе, проверить гипотезу Малдасены. Последние несколько лет Руслан Мецаев занимался проблемой вычисления эффективного действия.

Руслан Мецаев:

«В нашем мире есть поля, которые представлены нейтронами, электронами, фотонами. Эти поля характеризуются, помимо прочего, спином и массой. В пространстве AdS тоже существуют поля, которые также характеризуются массой и спином, там также можно ввести эти понятия. Так вот в теории струн значения спина могут быть любыми, в том числе – дискретными, то есть целыми или полуцелыми, любыми. И для этих полей я занимаюсь вычислением эффективного действия. Эффективное действие дает некие предсказания для теории на границе, а точнее, позволяет сделать предсказания для корреляционных функций токов, которые можно пытаться проверить в эксперименте».



ADS пространство в изображении художника Морица Эшера. Картинка показывает координатные, а не физические расстояния, то есть на самом деле все рыбы одинаковы в размере (иллюстрация взята из презентации Х. Малдасены).

В выражениях для корреляционных функций есть такой параметр, как конформная размерность – Δ. Её и важно было найти: впоследствии этот показатель может быть проверен экспериментально. Он зависит от массы и спина частиц в AdS, и раньше исследователи, используя метод эффективного действия, вычислили Δ и соответствующую корреляционную функцию только для частного случая, когда масса равна нулю, а спин – единице или двойке.

Мецаев, с помощью разработанного им подхода, вычислил эффективное действие для массивных полей произвольного спина и тем самым нашёл величину Δ для любых значений массы и спина. Опубликованная им работа завершила цикл из четырёх статей, начатый в 2008 году и посвящённый изучению полей в 5-мерном пространстве AdS и соответствующих им токов в 4-мерном пространстве.

Ближайшее продолжение работы: упрощение метода вычисления эффективного действия, исследование физических систем, для которых предсказания теории струн могут быть экспериментально проверены.

Источник

«Счастье дается только знающим. Чем больше знает человек, тем резче, тем сильнее он видит поэзию земли там, где ее никогда не найдет человек, обладающий скудными знаниями»

Константин Паустовский

Файлы

Внутренняя рыба

Поиски механизма гравитации

Происхождение человека и половой отбор

Цивилизация после людей