Если бы темная энергия и темная материя были достаточно редкими явлениями, то, возможно, мы могли бы не торопиться с их объяснением и заняться другими нерешенными физическими проблемами. Но дело в том, что вместе они составляют 95% всей массы во Вселенной. Согласно последним астрономическим расчетам, 68% массы Вселенной — это темная энергия, 27% — это темная материя и лишь 5% — это то, что можно объяснить с помощью Стандартной модели и общей теории относительности. Некоторые ученые предлагают идти путем Эйнштейна и модифицировать общую теорию относительности. Однако большая часть физического сообщества признает потрясающую успешность и Стандартной модели, и общей теории относительности в описании того, что мы реально можем наблюдать. Желание не испортить достигнутый успех ставит перед физиками сложный вопрос: как продвинуться дальше и, возможно, даже объединить эти два шедевра XX века.
Вопросы о темных субстанциях Вселенной не единственные, на которые не дает ответа Стандартная модель. Почему одни частицы (кварки) участвуют в сильном взаимодействии, а другие частицы (лептоны) — нет? Можетли наука объяснить, почему в наблюдаемой части Вселенной существует гораздо больше материи, чем антиматерии? Почему существуют только три поколения элементарных частиц, и почему они имеют именно такие массы? Существует ли преобразование симметрии, которое обеспечивает связь между частицами материи (фермионами) и переносчиками взаимодействий (бозонами)? Это лишь некоторые из множества открытых на сегодняшний день проблем в физике элементарных частиц.
Мечты о геометрии, симметрии и единстве
В последние десятилетия наблюдается всплеск интереса к объединению всего во Вселенной при помощи чистой геометрии — тому, что было мечтой Эйнштейна, Шрёдингера, Эддингтона, Гильберта и других великих физиков. Кажется, что каждый раз, когда наука далеко уходит от идеалистичной мысли Пифагора о том, что «все есть число», находятся ученые-теоретики, которые стремятся вернуть ее обратно.
Сегодня большинство теоретиков представляют себе не волны материи (де Бройля/Шрёдингера), колеблющиеся на атомном масштабе, а струны (одномерные нити) и мембраны (многомерные поверхности), вибрирующие на гораздо более мелких масштабах. Эти струны и мембраны являются чисто геометрическими структурами, которые за счет своих вибраций и кручений порождают все известные свойства частиц. Теория струн — это довольно обширная тема. Давайте ее кратко рассмотрим.
Первоначальным импульсом к возникновению теории струн послужила неудачная попытка японского физика Йоитиро Намбу и его коллег в конце 1960-х и начале 1970-хгодов (еще до того, как родилась идея глюонов) представить механизм сильного взаимодействия в виде модели, где частицы соединялись друг с другом посредством гибких энергетических нитей Эти бозонные струны, как они их называли, действовали наподобие собачьего поводка, удерживая частицу в крошечной области ядерного масштаба, но при этом не ограничивая свободу в пределах «поводка».
В 1971 году французский физик Пьер Рамон обнаружил способ описания фермионов — тоже в виде струн. Он разработал метод, получивший название суперсимметрия, в котором бозонные струны могли быть преобразованы в фермионные путем вращения в некотором абстрактном пространстве. Его открытие вдохновило теоретиков Джона Шварца и Андре Неве на разработку универсальной теории, описывающей строительные блоки материи (фермионы) и частицы-переносчики взаимодействий (бозоны) с помощью струн, колеблющихся всевозможными способами. Этим универсальным объектам был присвоен титул суперструн. Один специфический аспект теории суперструн заключается в том, что она математически полна (за исключением слагаемых, которые рассматриваются как нефизические) только в пространстве десяти или более измерений. Ранее в этом же году физик Клод Лавлейс показал, что бозонные струны требуют двадцати шести измерений, так что сокращение необходимых измерений до десяти было похоже на улучшение теории.