Пять разных теорий суперструн, созданных в 1980-е годы, сильно озадачили теоретиков. Каждая из этих теорий имела нужный набор свойств и необходимые признаки самосогласованности, однако все они выглядели как описания явно отличающихся друг от друга миров. В модели, получившей название струнная теория типа I, скажем, струны могли быть как замкнутыми в петли, так и разомкнутыми, т.е. иметь свободные концы. Другая модель, где струны были только замкнутыми, разбилась на два класса. Типа IIB, где все петли вращались лишь в одну сторону по часовой стрелке, т.е. имели правую киральность. И Типа IIA, где вращение струн – или, иначе, распространение колебаний по кольцу – допускалось в обоих направлениях, т.е. частицы имели как правую, так и левую киральность.

Еще две иных конструкции, так называемые гетеротические струны, отчасти походили на уже упомянутые типы. Но при этом имели совсем уж странную особенность – разное количество измерений у частиц при их вращении по часовой стрелке и в противоположную сторону (откуда, собственно, и название – «гетерос» по-гречески «разные»). Говоря точнее, у правозакрученных частиц размерность пространства была 10, как и во всех прочих суперструннных теориях, однако у левозакрученных требовалось 26 измерений пространства, что было характерно для бозонных струн ранних теорий, появившихся в начале 1970-х годов.

В этом озадачивающем результате, можно заметить, содержится прозрачный намек на путь к разгадке тайны о суперсимметрии частиц. Красивое решение непреодолимых иначе проблем физики с помощью суперсимметричных конструкций давно указывает на необходимость строгого попарного соответствия частиц в природе. То есть для каждого фермиона в природе должен, по идее, иметься свой партнер-бозон, а для всякого бозона, симметрично, свой фермион. Беда вот только в том, что реально наблюдать таких суперпартнеров в экспериментах физикам категорически не удается, несмотря на все прилагаемые усилия.

Самое же тривиальное объяснение этой загадке может быть в том, что суперсимметричные партнеры бозон и фермион – это просто два разных состояния одной и той же частицы, постоянно и циклически меняющей значение своего спина между целым и половинным (главное родовое отличие бозонов от фермионов). А теория гетеротических струн, соответственно, может свидетельствовать, что такие «колебания» спина сопровождаются периодическими переворотами в киральности частицы и, одновременно, некими загадочными переменами в структуре пространства…

*

Все подобные соображения, конечно же, требуют более тщательного разбора и аргументации, но сделано это будет несколько позже. Пока же следует отметить, что теория гетеротических струн, в частности, одна из ее разновидностей под кратким названием «типа НЕ (Heterotic-E)» или просто «E», и без того вызвала повышенный интерес теоретиков благодаря своим примечательным особенностям. Поскольку разговор к ней будет возвращаться неоднократно, имеет смысл привести полное название данной модели – теория гетеротических суперструн E8хЕ8 (произносят эту строку символов как «Е восемь на Е восемь»).

В середине 1980-х годов эту теорию обнаружили и описали четверо исследователей из Принстонского университета – Дэвид Гросс, Джефри Харви, Эмиль Мартинес и Райан Ром – вошедшие в историю науки под шутливым коллективным именем «Принстонский струнный квартет». Важнейшей особенностью их конструкции было то, что среди всех суперструнных теорий E8хЕ8 была единственной, которая несла в себе отчетливые признаки физики того мира, что реально окружает человека. Именно этим, собственно, она и привлекла особый интерес у всех прочих струнных теоретиков.

Для того, чтобы пояснить, каким образом Е-гетеротические струны моделируют реальный мир, пришлось бы углубляться в математические аспекты теории. Но поскольку здесь необходимости в этом нет, достаточно лишь сказать, что весьма специфического вида калибровочная группа Стандартной модели (наилучшего на сегодня описания мира) красиво вписывается в E8, то есть в одну из групп гетеротической теории. Но при этом – еще одна важнейшая особенность модели – в целом окружающий мир, согласно данной суперструнной теории, описывается декартовым произведением двух идентичных групп, откуда и обозначение E8хЕ8.

В переводе с математического языка на общечеловеческий это означает, что вселенная в этой модели состоит из двух миров – по одному на каждую группу Е8. Частицы в каждом из этих миров обладают всеми обычными свойствами, подразумевающими способности к взаимодействию друг с другом посредством различных сил. Однако между частицами из разных миров нет прямого взаимодействия, за исключением гравитации. Поскольку гравитационные эффекты, обусловленные веществом «другого» мира, должны проявляться и в мире «этом», данная модель, помимо всего прочего, может предоставлять еще и разгадку для тайны темной материи во вселенной.

**

В своем изначальном виде теория гетеротических струн E8хЕ8 не подразумевала никаких бран – ни бран-поверхностей для описания мира, ни бран-капель для описания частиц. Однако в ходе второй струнной революции, когда с помощью аппарата бран и выявленных в теориях дуальностей удалось постичь глубинное единство всех пяти суперструнных моделей, появились и возможности для построения более конкретных конструкций, это единство демонстрирующих.

В частности, в совместной работе Петра Хоравы и Эда Виттена, посвященной путям к реализации 11-мерной М-теории, предложенной Виттеном, была показана очень перспективная модель [1]. Авторы обнаружили, что если одно из семи дополнительных измерений в М-теории имеет совсем простую форму – не окружность, а короткий отрезок прямой линии, с обоих своих концов ограниченный так называемыми «бранами края мира», которые сшиты словно две обложки книги, тогда удается установить прямую связь между гетеротической-Е струнной теорией и всеми остальными теориями суперструн.

Эта базовая конструкция из двух бран оказалась настолько богатой и плодотворной, что на ее основе другие исследователи, нередко работающие за рамками теории струн, выстроили множество новых моделей-модификаций, принесших с собой и новые открытия. В предыдущем разделе, например, рассказывалось о двухбранной модели Рэндалл-Сундрума, красиво объяснившей, почему сила гравитации столь сильно отличается от остальных взаимодействий. В одном из следующих разделов будет рассказано о космологической двухбранной модели Стейнхардта и Тьюрока, описывающей циклически расширяющуюся и сжимающуюся вселенную, в которой нет никакого Большого взрыва.

А непосредственно сейчас речь пойдет об интересных результатах, связанных с гладкой переменой (или переворотом) киральности частиц в процессе их фазового перехода из одного мира в другой [2]. Данные результаты в 1997 году были также полученных на основе двухбранной модели Хоравы-Виттена парой других струнных теоретиков – Евой Силверстейн и Шамитом Качру. Общие интересы этих исследователей в области теории струн со временем довели до того, что Шамит и Ева стали мужем и женой. С сутью их открытия, впрочем, данный факт скорее всего никак не связан.

***

Что же имеет к теме самое непосредственное отношение, так это физика весьма своеобразных объектов – псевдочастиц – под названием инстантоны. Поскольку объекты эти родились как очень удобная математическая уловка при решении уравнений квантовой физики, относительно реальности их существования единого мнения у ученых нет. Одни называют инстантоны просто «идеей» или «решениями уравнений движения», другие же предпочитают куда большую определенность, трактуя инстантоны как «особый вид колебаний вакуума» (но при этом обычно не заостряют внимание на том, что колебания происходят во мнимом времени – ибо с природой реального мира подобное допущение сочетается неважно… пока, по крайней мере).

С другой стороны, в конструкции Модели, обрисованной на страницах данной книги, странноватые, на первый взгляд, «инстантонные флуктуации» частиц со всеми их необычными свойствами оказываются не только естественным, но и совершенно необходимым элементом вселенной, где в каждом такте осцилляций параллельные миры меняются местами друг с другом. И если в конкретных физических задачах мнимое время и псевдочастицы, похожие на вихри-солитоны в сверхтекучих жидкостях, но возникающие только на мгновение (откуда и название от английского instant – «мгновенные»), привлекаются лишь по необходимости, вроде объяснения туннельных переходов и других квантовых эффектов, то в условиях Модели «инстантон» – это нечто куда более существенное. Можно сказать, что это одна из обязательных промежуточных фаз в довольно замысловатом процессе непрерывных перескоков частиц между мембранами.

По этой причине особо примечательны все математические подробности подобных переходов, установленные в работе Силверстейн и Качру под названием «Фазовые переходы, изменяющие киральность в 4-мерных струнных вакуумах». В данной статье авторы продемонстрировали, что вопреки общепринятому мнению, пространства с весьма отличающимися характеристиками (вакуумы теории гетеротической струны Е8хЕ8) могут быть тесно связаны друг с другом через фазовые переходы частиц-инстантонов. Причем переходы такого рода непременно происходят через весьма специфическое состояние системы, «точку в пространстве модулей», где вообще невозможно сформулировать какое-либо описание для физики пространства-времени. После сжатия в такую «нетривиальную фиксированную точку» нулевого размера частицы меняют свою киральность на противоположную.

Переформулированный в терминах теории бран, уже получившей к тому времени признание и популярность, этот же процесс фазового перехода со сменой киральности проявил еще несколько существенных подробностей в трансформациях инстантона. В частности, Силверстейн и Качру показали, что сжатие инстантона до нулевого размера сопровождается испусканием фрагмента материи – пятибраны – с одного из «концов мира» куда-то вовне, т.е. в пространство-балк. В терминах Модели, можно напомнить, это соответствует испусканию тахиона, формирующего квантово-голографическую память частицы о данном такте осцилляции. В теоретических изысканиях Силверстейн и Качру, ясное дело, данная картина ничего подобного не означала, однако и сама по себе открывшаяся физика выглядела весьма любопытно. Поэтому на протяжении нескольких последующих лет среди работ Евы Силверстейн совершенно особое место занимали исследования, посвященные тахионам.

[1] P. Horava and E. Witten, “Heterotic and Type I String Dynamics from Eleven dimensions,” Nucl. Phys. B460 (1996) 506, hep-th/9510209.

[2] Shamit Kachru, Eva Silverstein. «Chirality Changing Phase Transitions in 4d String Vacua». 25 Apr 1997. arXiv:hep-th/9704185