Обозревательница Натали Уолховер анализирует последние события в «вечной войне» за то, может ли теория струн описать мир.
По прошествии 58 лет после своего появления теория струн остается самым популярным кандидатом на роль «теории всего» — единой математической основы для описания всей материи и взаимодействий во Вселенной. Это вызывает недовольство ее довольно громких критиков. «Теория струн не умерла, она восстала из мертвых и теперь бродит вокруг, как зомби, пожирающий мозги людей», — заявила в 2024 году бывший физик Сабина Хоссенфельдер на своем популярном YouTube-канале.
Теория струн — это «провал», часто говорит физик-математик и блогер Питер Войт. Он критикует не то, что теория струн неверна, а то, что она «даже не неверна», как он назвал свою книгу 2006 года. Согласно этой теории, на масштабах в миллиардные доли триллионных долей триллионных долей сантиметра проявляются дополнительные свернутые пространственные измерения, а частицы превращаются в протяженные объекты — нити и петли энергии, а не в точки. Но эта предполагаемая субструктура слишком мала, чтобы ее можно было обнаружить — возможно, никогда. Это предположение невозможно проверить.
Еще одна проблема заключается в том, что на этих крошечных масштабах возможно бесчисленное множество различных конфигураций измерений и струн. Теория может породить бесконечное множество вселенных. Среди этого огромного количества решений никто не может надеяться найти точную микроскопическую конфигурацию, лежащую в основе нашего конкретного макроскопического мира. Эти вопросы действительно сложны. Однако, по моему опыту, типичный специалист по теории элементарных частиц на физическом факультете престижного университета по-прежнему считает, что у теории струн есть все шансы оказаться верной, по крайней мере частично. В этой области сформировались два лагеря: тех, кто считает ее достойной изучения, и тех, кто этого не делает.
В философии «квалиа» относится к субъективным качествам нашего восприятия: к тому, как Алиса видит синий цвет, а Боб — как восторг. Квалиа — это «то, как нам кажутся вещи», по выражению покойного философа Дэниела Деннета. В этих статьях наши авторы следуют своему любопытству и исследуют важные, но не всегда имеющие ответ научные вопросы.
Недавно появился новый подход. Метод — называемый бутстраппингом, позволил физикам доказать, что при различных исходных предположениях о Вселенной естественным образом выводится ключевое уравнение теории струн. По мнению некоторых экспертов, эти результаты подтверждают идею «уникальности струн» — представление о том, что это единственное математически непротиворечивое квантовое описание гравитации и всего остального. Отвечая на одну статью bootstrap на своем канале YouTube, всего через несколько недель после комментария “undead”, Хоссенфельдер сказала, что “теоретики струн в кои-то веки делают что-то разумное”. Она добавила: “Я бы сказала, что эта статья усиливает аргументы в пользу теории струн”.
Не все согласны с этим, но полученные результаты вновь поднимают важный вопрос. “Этот вопрос о том, описывает ли теория струн мир?’ просто это было таким табу”, — сказал Клифф Чунг — физик из Калифорнийского технологического института и автор статьи, обсуждаемой Хоссенфельдером. Теперь: “люди действительно задумались об этом впервые за десятилетия”. Узнав об этой работе, я захотел углубиться в логику и изучить, как обстоят дела с гипотезой струн в наши дни.
Новая работа по бутстраппингу связана с первым открытием в области теории струн, сделанным в 1968 году. Молодой итальянский физик Габриэле Венециано вывел формулу, описывающую поведение частиц, называемых адронами. Другие исследователи вскоре поняли, что его формула, ныне известная как амплитуда Венециано, предполагает, что адроны — это не частицы, а вибрирующие струны.
Дальнейшие исследования показали, что адроны — это не струны, а просто струноподобные объекты. Они состоят из пар и троек кварков, связанных между собой струнообразными цепочками глюонов. Несмотря на то, что физики пришли к пониманию этих частиц, разработав квантовую теорию поля (КТП) — стандартный язык физики элементарных частиц, в котором частицы представляют собой колебания энергии в полях, пронизывающих пространство-время, — теория струн, возникшая на основе работы Венециано, никуда не исчезла. Физики поняли, что это позволяет дать более глубокое математическое описание самих кварков и глюонов, а также всех других элементарных частиц, в том числе, что самое удивительное, гравитонов — гипотетических квантовых единиц гравитации. Вибрации незамкнутых струн могут определять свойства всех известных частиц. Соедините концы струны, образовав петлю, чтобы получить гравитоны. Те, кого стали называть струнными теоретиками, восхищались красотой математики. В квантовой теории поля точечные частицы могут двигаться по бесконечно разнообразным траекториям, что создает концептуальные и технические трудности. Но траектории струн сходятся и расходятся конечным, исчисляемым числом способов, что упрощает вычисления.
Одна загвоздка заключалась в том, что у этих струн должно быть 10 пространственно-временных измерений, в которых они могут двигаться, поэтому сторонники теории струн предположили, что в каждой точке нашего привычного четырёхмерного пространства-времени должно быть шесть крошечных дополнительных измерений. Несмотря на математическую элегантность, скрытые измерения были горькой пилюлей, по крайней мере до тех пор, пока в 1984 году не был получен поразительный результат, который значительно упростил понимание струн. Элементарные частицы являются «хиральными», то есть отличаются от своих зеркальных отражений, но хиральные теории, которые пытаются создать физики, подвержены математическим несоответствиям, называемым хиральными аномалиями. Струнные теоретики Джон Шварц из Калифорнийского технологического института и Майкл Грин из Лондонского университета королевы Марии подсчитали, что в теории струн все члены, которые могут привести к аномалиям, компенсируют друг друга. Способность математики к самовосстановлению привела к революции в теории струн. «Сообщество струнных теоретиков достигло такого уровня непримиримости, какого физика еще не знала», — сказал недавно об этом периоде Эрик Вайнштейн, физик, ставший финансистом, а затем подкастером. «Они стали совершенно невыносимыми».
В 1990-е годы струнные теоретики обнаружили удивительную сеть математических эквивалентностей, или «дуальностей», между различными версиями теории струн, а также между струнами и квантовыми полями в разных измерениях. Это усложнило задачу, но появилось еще больше математических чудес — вычислений, которые сработали, хотя и не должны были. Например, в 1996 году Эндрю Стромингер и Камрун Вафа из Гарвардского университета создали модель черной дыры в рамках теории струн. (Они сложили друг на друга множество «D-бран» — поверхностей, на которых заканчиваются открытые струны, — до тех пор, пока их гравитация не стала непреодолимой.) Они рассчитали энтропию черной дыры, подсчитав возможные конфигурации D-бран, и получили то же выражение, которое Стивен Хокинг и Джейкоб Бекенштейн вывели для энтропии черной дыры в начале 1970-х годов с помощью термодинамики. Закон энтропии Бекенштейна — Хокинга был загадкой, но теория струн, похоже, объяснила, откуда он взялся. Ни одна другая теория, удовлетворяющая требованиям квантовой механики и общей теории относительности, не позволяла проводить столь точные вычисления. Но теория струн по-прежнему была полностью оторвана от эмпирической реальности. В начале 2000-х годов было доказано, что существует по меньшей мере 10500 различных конфигураций шести компактных измерений, каждая из которых теоретически может лежать в основе Вселенной с разными свойствами. Все надежды на проверку теории и определение того, какая из конфигураций породила нашу Вселенную, угасли. Начались «войны струн» — ожесточенные споры о том, является ли теория струн полноценной наукой и заслуживают ли струнные теоретики того влияния и престижа, которых они добились. Эта война стала бесконечной.
Теперь обратимся к бутстраппингу. В физике обычно предлагают теоретическую модель, делают на ее основе прогнозы, а затем проверяют их экспериментальным путем. Бутстраппинг, в свою очередь, предполагает, что мы начинаем с перечня желательных логических и физических принципов — например, принципов симметрии и унитарности (правила, согласно которому сумма вероятностей возможных исходов должна равняться 1), — и накладываем эти ограничения, чтобы попытаться вывести теоретическую модель. Если бутстраппинг работает, он может указать только на одну физическую систему, которая соответствует исходным предположениям.
В своих недавних работах исследователи использовали амплитуду Венециано — формулу для описания рассеяния двух открытых струн — в качестве единственного решения, вытекающего из различных наборов исходных предположений. «Десятилетиями ученые изучали, что следует из теории струн, а мы задаемся вопросом: «Что следует из теории струн?» — говорит Чунг. Согласно этому подходу, если предположения X, Y и Z верны для нашей Вселенной, то верна и теория струн. Таким образом, дискуссия сосредотачивается не на плюсах и минусах теории струн, а на обоснованности предположений. Сторонники бутстрап-подхода исходят из того, что даже при самых высоких энергиях и самых коротких расстояниях (так называемое ультрафиолетовое излучение, то есть коротковолновое излучение) имеет смысл говорить об отдельных квантовых единицах (будь то частицы или струны), движущихся в плоском пространстве-времени. Другими словами, как и при более низких энергиях, эти квантовые единицы будут обладать свойствами унитарности и лоренц-инвариантности — по сути, симметрией между наблюдателями, движущимися в пространстве-времени с постоянной скоростью. Эти принципы лежат в основе квантовой механики и теории относительности и являются незыблемыми в доступных нам областях Вселенной, поэтому разумно предположить, что они действуют и в ультрафиолетовом диапазоне.Помимо этих базовых требований, разработчики должны сделать дополнительные допущения, чтобы прийти к однозначному ответу.
Вопрос о том, описывает ли теория струн окружающий мир, был настолько табуирован… что люди впервые за десятилетия задумались над ним. — Клифф Чунг
В статье, опубликованной в августе 2025 года, «Струны из почти ничего» Чунг и трое его соавторов выдвинули предположение об «ультрамягкости» — математическом утверждении, согласно которому бесконечно малые расстояния не допускаются. Они показали, что если фундаментальные объекты Вселенной ультрамягкие (а также при соблюдении еще одного технического условия), то состояния высокоэнергетических частиц должны подчиняться определенному закону. Они обнаружили, что этому закону соответствуют только амплитуда Венециано и амплитуда Вирасоро — Шапиро, описывающая рассеяние двух замкнутых струн. Таким образом, теория струн — единственный способ сделать Вселенную ультрамягкой.
Результат неплох, но, возможно, он не слишком показателен, поскольку сверхмягкость была известным свойством теории струн. При столкновении струн с возрастающей энергией они вращаются быстрее и растягиваются, а не концентрируют энергию во все меньших и меньших точках. Войт назвал использование сверхмягкости для обоснования теории струн «софистикой».
«Самое замечательное в том, что мы подходим к своим предположениям с научной точки зрения, — сказал Чунг. — Если вы хотите опровергнуть наш вывод, опровергните наши предположения, и давайте подумаем над этим. Нам не нужно переживать из-за этого».
Таков принцип бутстрэппинга.
Статья (опубликованная в январе 2026 года) «Теория струн из максимальной суперсимметрии», считается более впечатляющей. В ней Генриетта Элванг из Мичиганского университета и двое ее коллег, отталкиваясь от предположений о квантовой теории поля, получают амплитуду Венециано как единственный возможный ответ при высоких энергиях. «По-настоящему иметь возможность сказать: «Я просто использую теорию поля, я ничего не предполагаю о теории более высокого порядка»… и при этом теория струн возникает из теории поля — это, на мой взгляд, очень, очень интересно», — сказал Элванг.
Главным предположением группы было свойство, называемое «N = 4 суперсимметрия», согласно которому частицы с разным спином, или собственным угловым моментом, образуют единое семейство со схожими взаимодействиями. Мы не наблюдаем в природе такого высокого уровня симметрии, но теоретики часто изучают его как упрощенную модель, поскольку с ней проще работать, и иногда она позволяет выявить закономерности или структуры, которые применимы и к менее симметричным квантовым теориям поля. Элванг и ее соавторы показали, что если квантовая теория поля обладает наивысшим уровнем суперсимметрии (наряду с двумя другими техническими допущениями), то на близком расстоянии частицы должны быть струнами. То есть для двух частиц, сталкивающихся друг с другом, амплитуда Венециано является единственным «ультрафиолетовым завершением». (Обратите внимание, что в этих расчетах используется амплитуда «древесного уровня», которая является приближением к полной формуле и не учитывает редкие варианты рассеяния.)
«Это очень хорошая работа», — сказал Педру Виейра — физик из Института периметра в Канаде и Южноамериканского института фундаментальных исследований ICTP в Бразилии, который в 2021 году стал соавтором одной из первых статей по созданию элемента теории струн, но с тех пор переключился на другие вопросы. По его мнению, если теория струн является единственным УФ-завершением максимально суперсимметричной квантовой теории поля (и он подчеркивает, что на данный момент Элванг доказал это только для амплитуды на уровне дерева), то, вероятно, то же самое можно сказать и о частицах и полях реального мира. Но доказать это будет сложно или даже невозможно. Квантовая теория поля, которую мы наблюдаем в современной низкоэнергетической Вселенной, просто недостаточно симметрична, чтобы физики могли решить необходимые уравнения.
Тем не менее по мере того, как появляется все больше доказательств того, что в ультрафиолетовом диапазоне теория струн приводит к возникновению струн, история теории струн развивается таким образом, что критикам приходится с этим считаться.
Когда я спросил его мнение, Войт назвал открытие Элванга «не таким уж удивительным». Он отметил, что попытки понять некоторые ограничения квантовой теории поля с точки зрения теории струн — «очень старая идея, и в ее пользу есть множество доказательств». На мой взгляд, это слишком категоричное утверждение. Действительно, в теории струн уже давно центральное место занимает вопрос о том, что некоторые игрушечные модели квантовой теории поля могут быть переформулированы в виде теорий струн. Статья Элванга раскрывает новый аспект этой связи, хотя масштаб и значение всего этого пока неясны.
Безусловно, законы физики стали более математически точными по мере того, как мы лучше их изучали. — Лэтэм Бойл
Другие исследователи подвергли сомнению основополагающие допущения, на которых строились эти недавние работы, утверждая, что, возможно, вообще нет смысла говорить о фундаментальных объектах, сталкивающихся друг с другом при высоких энергиях и на коротких расстояниях в ультрафиолетовом диапазоне. Сторонники бутстрап-подхода принимают такие взаимодействия как данность, исходя из лоренц-инвариантности (симметрии плоского пространства-времени, в котором движутся частицы). Но Астрид Эйххорн — физик из Гейдельбергского университета, изучающая подход к квантовой гравитации под названием асимптотическая безопасность, объяснила, что в ультрафиолетовом режиме квантовой гравитации «доминируют пространственно-временные конфигурации, которые далеки от плоского пространства и в которых флуктуации велики, так что амплитуды рассеяния в плоском пространстве не имеют смысла». Лэтэм Бойл — физик из Эдинбургского университета, который изучает широкий спектр тем, также поставил под сомнение предположение о том, что рассеяние обязательно имеет смысл в ультрафиолетовом диапазоне.
Грант Реммен из Нью-Йоркского университета, автор статьи об ультрамягкости, возразил. Он утверждал, что любая теория, учитывающая все ультрафиолетовые излучения, должна описывать то, что происходит в плоском пространстве: «Амплитуды рассеяния — необходимый компонент, который должна предсказывать любая полноценная теория квантовой гравитации». Другими словами, должно быть возможно описать рассеяние при высоких энергиях, даже если это лишь один из аспектов полной теории.
В целом Бойл, который иногда занимается теорией струн, но считает, что струнные теоретики свернули не туда, выразил мнение, с которым я согласен, по поводу статей об уникальности струн. «Я не думаю, что из этого следует, что теория струн верна, — сказал он. — Но эти результаты, как и многие более ранние, показывают, что в теории струн есть что-то особенное. Так что я бы не удивился, если бы она оказалась одним из фундаментальных элементов мироздания».
В ответ на просьбу пояснить он сказал, что относит теорию струн к числу «особых математических объектов» наряду с мозаиками Пенроуза, четырьмя системами счисления (действительными и комплексными числами, кватернионами и октонионами) и некоторыми группами симметрии. «Когда вы начинаете задавать вопросы в пространстве этих объектов, то обнаруживаете, что они всегда приводят вас к этим особым теориям. Кроме того, эти теории связаны со многими областями математики и физики. В научной литературе полно примеров того, как люди приходили к ним разными путями». Так что у них есть это особое потрясающее качество. Это может быть признаком того, что они на верном пути.
«Безусловно, верно, — добавил Бойл, — что законы физики становятся все более математически точными по мере того, как мы лучше их понимаем».
Похожие:
- Теория струн теперь может описать Вселенную с темной энергией
- Теория струн вдохновила на создание нового математического доказательства, которое поражает своей гениальностью
- Уменьшение темной энергии может помочь избежать «болота» невозможных вселенных
- Некоторые видят в этом числовом совпадении доказательство теории струн
Некоторые из опрошенных мной исследователей, в том числе авторы статей о бутстрап-методе, заявили, что не уверены в том, что теория струн применима к нашей Вселенной. Они предпочитают выстраивать логические связи между идеями, такими как суперсимметрия, ультрамягкость и теория струн, но не склонны читать между строк — возможно, чтобы избежать ошибок своих предшественников: чрезмерного энтузиазма и вольной интерпретации, которые обычно приводят к разногласиям. Но Виейра также рассказал мне о многолетних исследованиях, которые привели к окончательному выводу, заслуживающему внимания. Линии и другие протяженные объекты кажутся чем-то обыденным и даже ожидаемым в квантовой теории поля, которая якобы описывает точечные объекты. Возникают симметрии и силы, действующие вдоль линий и на поверхностях. «Думаю, это уже принято, — сказал он. — Можно ли назвать эти протяженные объекты струнами? Нужно ли их так называть? Я не знаю». Но я думаю, что для полного понимания квантовых теорий и квантовых объектов недостаточно думать только о точках. С этой точки зрения идея о том, что теория струн верна при определенных обстоятельствах, может быть вполне обыденной, даже если пространство теорий, фундаментальных объектов и математических взаимосвязей между ними еще не до конца изучено.
источник: https://www.quantamagazine.org/are-strings-still-our-best-hope-for-a-theory-of-everything-20260323/