Mongoose

Представления о природе материи в физике элементарных частиц и в творениях святых отцов

Эволюция научных представлений об элементарных частицах в XX–XXI веке

Калибровочная симметрия и теории объединения

В широком смысле под симметрией понимают неизменность при каких-либо преобразованиях. Обычно подразумевают геометрическую симметрию. Так, снежинка обладает шестиугольной симметрией. Известна зеркальная симметрия (например в архитектуре). Но эти симметрии не исчерпывают весь запас симметрий, существующих в природе. Объединение электричества и магнетизма в электромагнитной теории Максвелла есть образец более абстрактной симметрии, «спрятанной» в математическом аппарате (единая система уравнений). Гравитационное взаимодействие в общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна также обладает симметрией, суть которой заключается в том, что и равномерно движущиеся, и движущиеся с ускорением наблюдатели абсолютно равноправны относительно преобразований Лоренца[1].

Из этого следует очень важный вывод, который физики формулируют так: гравитационное поле поддерживает в природе локальную калибровочную симметрию. При наличии гравитации возможно преобразование к траекториям любой формы без нарушения законов физики. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей создается не только гравитационное, но и все четыре фундаментальных взаимодействия. Все их можно рассматривать как калибровочные поля. Силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Калибровочная симметрия тесно связана с перенормировкой (в квантовой электродинамике (далее – КЭД) расходимости удалось преодолеть за счет симметрии, присущей электромагнитному полю). Отсюда следует, что если бы теорию слабого и сильного взаимодействий можно было сформулировать на языке калибровочных полей, то это способствовало бы успешному построению квантового описания этих взаимодействий, как это удалось сделать в КЭД.

Возможность проведения калибровочных преобразований в любой точке требует, чтобы компенсирующие поля действовали на всем пространстве. Гравитационное взаимодействие в ОТО и электромагнитное в КЭД являются дальнодействующими. Но слабое и сильное взаимодействия существуют на очень малых расстояниях. А на квантовом языке это означает, что фотон имеет нулевую массу покоя, а переносчики слабого взаимодействия W- и Z-частицы оказываются чрезвычайно массивными. Это обстоятельство и не позволяет описать слабое взаимодействие на языке калибровочных полей. Требовалось совместить калибровочную симметрию и частицы-переносчики с ненулевой массой покоя. Для решения этой проблемы был введен механизм генерации масс элементарных частиц. Этот механизм был предложен английским физиком Питером Хиггсом в 1964 году.

В популярном изложении механизма генерации масс часто прибегают к аналогии шарика, скатывающегося либо по стенкам желоба[2], либо по полям мексиканского сомбреро[3]В квантовой теории все частицы – это колеблющиеся «кусочки» поля. У каждого поля есть состояние с самой низкой энергией – вакуум этого поля. Если вакуум равен нулю, то частицы отсутствуют. Хиггсово поле устроен особым образом – у него вакуум ненулевой. Колебания хиггсова поля – это бозоны Хиггса, кванты хиггсова поля. На фоне ненулевого состояния хиггсова поля движутся остальные частицы. Вездесущее присутствие хиггсова поля сказывается на движении частиц определенным образом – оно затрудняет ускорение частиц, но не мешает их равномерному движению. Частицы становятся более инертными, иными словами, у них появляется масса. Таким образом, элементарные частицы – лептоны, кварки, W- и Z-бозоны – приобретают массу [4]. Впрочем, некоторые частицы, например фотоны, не цепляются напрямую к хиггсову полю и остаются безмассовыми. Этот механизм и был назван механизмом динамической генерации массы. При малых энергиях взаимодействующих частиц их массы обеспечиваются средней величиной скалярного поля, при повышении энергии массы исчезают.

Чтобы получить решающее спонтанное нарушение симметрии, Вайнберг и Салам воспользовались готовой идеей: ввели в теорию поле Хиггса. По образному выражению Салама, W- и Z-частицы «поедают» бозоны Хиггса, чтобы прибавить в весе. Теория Вайнберга-Салама позволяет вычислить массу промежуточных W- и Z-бозонов на основании эмпирически известной константы слабых взаимодействий. Проверка этой теории в многочисленных экспериментах увенчалась открытием W- и Z-бозонов в 1983 году, и значение масс оказалось в полном согласии с теоретическим предсказанием![5]Теория Вайнберга-Салама предсказывает существование и так называемого бозона Хиггса – кванта хиггсова поля с нулевым спином и большой массой[6].

Воспользовавшись идеей спонтанного нарушения симметрии, Вайнберг и Салам сделали следующий шаг, соединив электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля – теории электрослабого взаимодействия. Суть теории электрослабого взаимодействия заключается в том, что хотя электромагнитное и слабое взаимодействие существенно различаются по величине на обычных низких энергиях (величина слабого взаимодействия непосредственно связана с массами W- и Z-частиц), но в теории они представляются как два разных проявления одного взаимодействия. После опубликования теории остался нерешенным один вопрос: будет ли эта теория перенормируемой? Решением этой проблемы занялся Герардт Хоофт. Результаты проверки теории на компьютере дали обнадеживающий результат: все бесконечности взаимно уничтожались.

Вдохновленные блестящими достижениями теории электрослабого взаимодействия, физики заинтересовались поиском дальнейших путей объединения. Но прежде объединения электрослабого и сильного взаимодействий последнему нужно было придать черты калибровочного поля. Итогом работы в этом направлении стало построение квантовой хромодинамики (далее – КХД). Квантовая теория цвета, или квантовая хромодинамика, суть сильного взаимодействия объясняет как стремление поддерживать абстрактную симметрию – сохранение «белого» цвета всех адронов (барионов, мезонов). Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. Этот заряд назвали цветом. Для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда. Каждый кварк мог быть одного из трех цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим. Эти цвета определяют реакцию кварка на сильное взаимодействие точно так же, как электрический заряд определяет реакцию на электромагнитное взаимодействие. Согласно данным, все взаимодействия между одноцветными кварками являются идентичными, как и идентичными являются взаимодействия между разноцветными кварками (красный–зеленый, зеленый–синий, красный–синий). Но если три цвета «сдвинуть» определенным образом, то взаимодействие между кварками останется совершенно неизменным. Эта «синхронная» смена цветов и определяет внутреннюю калибровочную симметрию сильного взаимодействия. Так как цвета три, симметрия оказывается более сложной, что отражается в большем числе полей, необходимых для поддержания локальной калибровочной симметрии. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами-переносчиками этих полей являются векторные калибровочные бозоны, названные глюонами (от англ. glue – «клей»). Это изобилие глюонов резко отличается от одного единственного переносчика электромагнитного взаимодействия (фотона) и трех переносчиков слабого взаимодействия (W⁺-, W^--, Z⁰-частицы). Кварки испускают и поглощают глюоны. Этот процесс сопровождается изменением цвета кварка. В этом отношении сильное взаимодействие напоминает слабое, при котором испускание W-частицы сопровождает превращение электрона в нейтрино. Кварки, кроме того что, испуская глюоны, меняют цвет при сильном взаимодействии, еще участвуют и в слабом взаимодействии. При этом они меняют не цвет, но аромат. Все это синхронное изменение цветов, происходящее во взаимном «общении» кварков, обладает одной немаловажной особенностью: по аналогии с реальным цветом можно сказать, что комбинация цветов в адроне (образуется тремя кварками) должна всегда давать «белый» цвет. В этом и состоит проявление калибровочной симметрии сильного взаимодействия.

С появлением КХД все существующие в природе взаимодействия приобрели описание на основе калибровочных полей. Гравитация есть калибровочное поле в ОТО, электромагнетизм – в КЭД, калибровочная симметрия слабого взаимодействия поддерживается тремя новыми силовыми полями, симметрия КХД – восемью дополнительными полями. Кроме того, электромагнитное и слабое поля являются разными проявлениями более общего – электрослабого взаимодействия; их выделение обусловлено спонтанным нарушением симметрии. С 1973 года предложено несколько теорий, объединяющих электрослабое и сильное взаимодействие. Эти теории претендуют на роль так называемой теории Всего (или теории Великого объединения, далее – ТВО). ТВО пытается объединить не только взаимодействия, но и частицы вещества (бозоны и фермионы).

ТВО преуспела в объединении лишь трех фундаментальных взаимодействий. Эти взаимодействия имеют характер силовых полей, простирающихся в пространстве и времени, гравитация же сама представляет собой искривленное пространство-время. Гравитация – не что иное, как пустота, испытывающая возмущение (в ОТО). Геометрический характер гравитационного поля создает серьезные трудности при любой попытке квантового описания. Несмотря на то, что гравитации соответствует калибровочное поле, ее описание на языке обмена гравитонами дает разумные результаты только в случае простейших процессов. Расходимости возникают, если учесть, что гравитоны, как и все частицы-переносчики, «гравитируют» между собой, что порождает бесконечную последовательность расходимостей в уравнениях гравитационного поля. Выход, по аналогии с предшествующим опытом создания калибровочного поля электрослабого взаимодействия, виделся в создании еще более мощной симметрии. Так физики пришли к идее суперсимметрии.

Суперсимметрия и теория Калуцы–Клейна

Суть суперсимметрии связана с понятием спина в том виде, в каком оно используется в физике элементарных частиц. Существование спина имеет решающее значение для свойств частиц. В зависимости от спина частицы разделяются на два класса: бозоны (частицы, спин которых равен нулю (бозон Хиггса) или имеющие целочисленный спин) и фермионы (частицы, имеющие полуцелый спин)[7].

Суперсимметрия дает объединение бозонов и фермионов в рамках одной теории. Суперсимметрия физически соответствует превращению бозона в фермион, и наоборот. Гравитацию, представляющую собой в чистом виде геометрию искривленного пространства-времени, можно выразить на языке суперсимметрии, что позволяет более ярко продемонстрировать калибровочно-полевую природу. Суперсимметрия сводит в одно семейство частицы с различными спинами. Следовательно, если мы требуем, чтобы теория гравитации была суперсимметричной, то гравитон со спином 2 должен существовать не сам по себе, а в составе семейства частиц. К таким частицам относятся частицы со спином 0, ½, 1 и, что особенно важно, 3/2. Описание гравитации на языке суперсимметрии получило название супергравитации. От обычной гравитации супергравитация отличается тем, что гравитон здесь уже не единственный переносчик гравитационного взаимодействия. В качестве переносчиков выступает целое суперсимметричное семейство, в том числе частицы со спином 3/2, которые физики называют гравитино. Супергравитация дает единое описание взаимодействия и вещества – бозонов и фермионов. Подобно тому, как гравитон сопровождается гравитино, переносчики других взаимодействий сопровождаются новыми частицами, получившими название фотино, вино, зино и глюино. Эти частицы-суперпартнеры порождают в квантовом описании поля расходимости, но противоположного знака по сравнению с расходимостями, обусловленными, например, гравитонами[8]. Таким образом, все бесконечности компенсируют друг друга, что делает квантовую супергравитацию перенормируемой теорией. Супергравитация впоследствии была определенным образом интегрирована в теорию суперструн, о чем будет сказано ниже. Здесь же нужно указать на одну характерную особенность, которая связана с вопросом построения теории объединения всех четырех физических взаимодействий. Эта особенность заключается в необходимости введения дополнительных пространственных измерений. Первопроходцем в этой области был польский математик Теодор Калуца, предложивший модель объединения ОТО и электродинамики еще в 1920-е годы.

Как известно, Эйнштейн сформулировал ОТО для привычного случая Вселенной с тремя пространственными и одним временным измерением. Однако математический формализм его теории можно непосредственно обобщить и выписать аналогичные уравнения для Вселенной с дополнительными пространственными измерениями. Польский математик Теодор Калуца выполнил математический анализ и выписал новые уравнения при предположении об одном дополнительном пространственном измерении. Он обнаружил, что в этой пересмотренной формулировке уравнения, относящиеся к трем обычным измерениям, по существу совпадают с уравнениями Эйнштейна. Но благодаря включению дополнительного измерения, Калуца получил и новые дополнительные уравнения. При их изучении оказалось, что они представляют собой не что иное, как полученные еще Максвеллом в 1860-х годах уравнения, описывающие электромагнитное взаимодействие. Добавив еще одно пространственное измерение, Калуца объединил теорию гравитации Эйнштейна с максвелловской теорией электромагнитного поля. Обоснование ненаблюдаемости пятого измерения было предложено шведским физиком Оскаром Клейном в 1926 году. Клейн высказался в том смысле, что структура пространства нашей Вселенной может содержать как протяженные, так и свернутые измерения. Клейн объединил предположение Калуцы с некоторыми идеями развивавшейся тогда квантовой механики. Расчеты Клейна показали, что дополнительное циклическое измерение по размерам сопоставимо с планковской длиной. Поэтому неудивительно, что мы не замечаем пятого измерения: оно скручено в масштабах, которые значительно меньше размеров любой из известных нам структур. На рисунке в виде сетки изображены обычные пространственные измерения (для наглядности выбраны два пространственных измерения). Кругами показано новое компактифицированное (свернутое) дополнительное пространственное измерение. Подобно круговым петелькам, образующим ворс ковра, эти круги существуют в каждой точке протяженных измерений. На данном рисунке они изображены только в узлах сетки.

С этого времени физики стали называть гипотезу о существовании дополнительных крошечных пространственных измерений теорией Калуцы-Клейна. Но эта теория содержала существенные недостатки. Например, простейшие попытки включить в теорию электрон приводили к предсказанию отношения его массы к заряду, которое существенно отличалось от измеренных значений. Про теорию быстро забыли. Вернулись к ней только в 1970– 1980-е годы.

В ТВО наличие симметрий силовых полей достаточно определенно указывает на проявление некоторой скрытой геометрии. В возвращенной к жизни теории Калуцы-Клейна симметрии калибровочных полей приобретают конкретность – это геометрические симметрии, связанные с дополнительными измерениями пространства. Однако, поскольку теперь требовалось объединить три взаимодействия, приходится вводить семь дополнительных пространственных измерений. Таким образом, современный вариант теории Калуцы-Клейна постулирует одиннадцатимерную вселенную (десяти пространственных плюс одно временное). Дополнительные пространственные измерения, как и в начальном варианте Калуцы-Клейна, компактифицированы, или свернуты. Только в 11-мерном случае набор возможных топологий семи свернутых измерений становится чрезвычайно большим. В случае с двумя дополнительными пространственными измерениями возможны два вида топологий: сфера и тор. Шесть дополнительных измерений, образующих класс геометрических объектов – пространства Калаби-Яу (теория суперструн), образуют десятки тысяч топологических вариантов[9].

Число «11» выбрано не случайно. Один из вариантов супергравитации называется N=8. В числе «8» обозначается число шагов, посредством которых операция суперсимметрии связывает частицы с различными спинами. Число «8» связано и с количеством различных типов гравитино, которое в этой теории также равно 8. Понятие спина связано со свойствами вращения частиц в обычном трехмерном пространстве. Математики пытались построить описание спина и в пространствах с другим числом измерений. Оказалось, что если основываться на супергравитации, то теория значительно упрощается, когда число измерений превышает три. Для простейшей же из всех формулировок число измерений оказалось равным десяти (плюс одно временное измерение). В этом случае восемь различных операций суперсимметрии вырождаются в единственную операцию. Как видим, в построении многомерных пространств физики мотивированы не экспериментальными подтверждениями, а оптимальным математическим формализмом. Как и в построении калибровочных симметрий, в этом случае физиками-теоретиками движет поиск гармонии и красоты в описании законов мироздания.

Теория струн и М-теория

Теория струн предлагает оригинальное и глубокое изменение теоретического описания свойств Вселенной на ультрамикроскопическом уровне. Это изменение способно модифицировать бщую теорию относительности, делая ее полностью совместимой с законами квантовой механики. Центральным положением теории струн является «постулат» о том, что элементарные компоненты Вселенной (фермионы и калибровочные бозоны) не являются точечными частицами, а представляют собой крошечные одномерные волокна[10]. Их пространственная одномерная протяженность – порядка планковской длины (l_pl=10^-33 см). Пространственная протяженность струн является новым ключевым звеном, позволяющим создать единую гармоничную систему. В теории струн все вещество и все взаимодействия обязаны своим происхождением одной фундаментальной величине – колеблющейся струне. Все элементарные частицы являются лишь разными модами колебаний совершенно одинаковых струн. Каков механизм действия струн? Часто сравнивают действие струны со струной музыкального инструмента. Человек воспринимает резонансные колебания как различные музыкальные ноты. Точно так же различные моды колебаний фундаментальных струн порождают различные массы и константы взаимодействия. Петли теории струн имеют резонансные моды колебаний. При этом вдоль длины струны укладывается целое число максимумов и минимумов. Легче всего понять эту ассоциацию для массы частицы. Энергия конкретной моды колебаний зависит от ее амплитуды – расстояния между максимумами и минимумами и от длины волны – расстояния между соседними пиками. Чем больше амплитуда и чем короче длина волны, тем больше энергия. Согласно специальной теории относительности (СТО), энергия пропорционально связана с массой. Таким образом, в теории струн масса элементарной частицы определяется энергией колебания струны. Существует также соответствие между иными характеристиками колебания струны и реакцией частицы на физические взаимодействия. Да и сами фотоны, калибровочные бозоны и глюоны – частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий – представляют собой лишь различные моды колебаний струн.

Этот новый взгляд на природу фундаментальных частиц радикально отличается от той точки зрения, которой придерживались физики до открытия теории струн, когда считалось, что различия между фундаментальными частицами обусловлены тем, что они «отрезаны от разных кусков ткани». Хотя частицы считались элементарными, предполагалось, что они состоят из различного «материала». В теории струн каждая элементарная частица не состоит из чего-то, а представляет собой отдельную струну. Все струны являются абсолютно идентичными. То, что представлялось различными частицами, на самом деле является различными «нотами», исполняемыми на фундаментальной струне. Вселенная, состоящая из бесчисленного количества этих колеблющихся струн, подобна космической симфонии.

Основное преимущество и оправданность введения теории суперструн заключается в том, что она нейтрализует конфликт между общей теорией относительности (ОТО) и квантовой механикой. Этот конфликт возникает благодаря свойствам структуры пространства. Плавно искривленная геометрическая структура пространства и времени в ОТО сталкивается с главным положением квантовой механики: на субпланковском уровне расстояний квантовые флуктуации становятся столь сильными, что приводят к разрушению понятия гладкого пространства. Теория струн достаточно элегантно способна устранить это противоречие. Решение его видится в процедуре «размазывания» микроскопических характеристик пространства.

Суть процедуры «размазывания» чем-то похожа на действие принципа неопределенности Гейзенберга. Чтобы изучить структуру какого-либо объекта, объект подвергается «бомбардированию», например фотонов (в микроскопе). На этом же принципе основаны ускорители частиц: частицы материи сталкиваются между собой; затем специальные детекторы анализируют разлетающиеся осколки для получения информации, позволяющей определить структуру объектов, участвующих в столкновении. Общее правило при таких исследованиях состоит в том, что размер частиц, использованных для исследования, определяет нижний предел разрешающей способности измерительной установки. Размер частиц-зондов не может превышать размер изучаемого объекта. А поскольку размер струны достигает планковского уровня, то и «бомбардировать» сами струны мы можем не более мелким объектом, как другой такой же струной. В результате предполагаемая дискретность пространства на квантовом уровне даже теоретически не поддается изучению. Дэвид Гросс и Пол Менде показали, что если учитывать квантовую механику, то непрерывное увеличение энергии струны не приводит к непрерывному увеличению ее способности исследовать все более тонкие структуры. Они установили, что при увеличении энергии струны сначала ее разрешающая способность растет так же, как у точечной частицы высокой энергии. Однако когда энергия струны превышает значение, необходимое для изучения структур в масштабе планковской длины, дополнительная энергия перестает вызывать увеличение разрешающей способности. Вместо этого дополнительная энергия приводит к увеличению размера струны, тем самым уменьшая ее разрешающую способность. Отсюда следует важный вывод: если сами струны непригодны для исследований на субпланковских масштабах расстояний, это значит, что ни они, ни какие-либо объекты, состоящие из струн, не могут испытывать влияния этих квантовых флуктуаций на малых масштабах. Гранитная поверхность может быть отполирована, но на микроскопическом уровне она все равно остается дискретной. Если мы проведем рукой по такой поверхности, то наши пальцы «смажут» микроскопическую дискретность. Сама дискретность поверхности, разумеется, остается, но это «смазывание» сгладит ее в степени, достаточной для преодоления расходимости между ОТО и квантовой механикой. Таким образом, теория струн работает как перенормируемая теория, «отодвигающая» расходимости за пределы теоретических исследований.

До середины 1990-х годов в суперсимметричной теории струн была одна весьма серьезная проблема. Дело в том, что уже к 1985 году физики осознали, что суперсимметрия на самом деле может быть включена в теорию струн не одним, а пятью различными способами[11]. Каждый метод приводил к образованию пар бозонных и фермионных мод колебания, но детали такой группировки различались. Такое разнообразие одинаково правдоподобных теорий всего свидетельствовало о каком-то существенном недостатке.

На начальном этапе развития теории струн физики обнаружили, что некоторые вычисления приводят к появлению отрицательных вероятностей[12]. Оказалось, что отрицательные вероятности возникают из-за несоответствия между требованиями теории струн и, казалось бы, очевидной реальностью трех пространственных измерений. Расчеты показали, что если бы струны могли колебаться в девяти независимых пространственных измерениях, все отрицательные вероятности исчезли бы. По этой причине в теории струн вновь вернулась к жизни теория Калуцы-Клейна: было сделано предположение, что струны колеблются в трех протяженных и шести свернутых пространственных измерениях. На этот раз введение дополнительных измерений было продиктовано необходимостью: геометрия дополнительных измерений определяет фундаментальные физические свойства, такие как массы частиц и заряды, которые мы наблюдаем в нашем обычном трехмерном пространстве.

Брайан Грин приводит пример с морской волной. На бескрайних просторах океана отдельная изолированная волна может иметь любую форму и двигаться в любом направлении. Это очень похоже на колебания струны, движущейся по развернутым протяженным пространственным измерениям. Но когда морская волна проходит через более узкий участок, на форму волны будут влиять, например, глубина моря, расположение и форма скал, форма канала, по которому движется вода. Свернутые пространственные измерения оказывают аналогичное влияние на возможные моды резонансных колебаний струны. Поскольку крошечные струны колеблются во всех пространственных измерениях, форма, в которую свернуты эти дополнительные пространственные измерения, а также форма их взаимного переплетения, сильно влияют и строго ограничивают возможные моды резонансных колебаний. Эти моды, в значительной степени определяемые геометрией дополнительных измерений, формируют набор свойств возможных частиц, наблюдаемых в привычных протяженных измерениях. Это означает, что геометрия дополнительных измерений определяет фундаментальные физические свойства, такие как массы частиц и заряды, которые мы наблюдаем в нашем обычном трехмерном пространстве.

Дополнительные пространственные измерения, так же как и в теории суперсимметрии, свернуты определенным образом. Этот класс шестимерных геометрических объектов носит название пространства Калаби-Яу. Особенности колебания струны в компактном многообразии Калаби-Яу дают ответ на вопрос, почему электрон и другие частицы имеют именно те массы, которые они имеют. Предыдущие теории ответа на этот вопрос не давали.

Доклад Эдварда Виттена в 1995 году ознаменовал собой начало второй струнной революции. Революционной была мысль о том, что вместо пяти различных теорий должна существовать одна, объединяющая все пять в рамках общего теоретического формализма. Этот единый формализм условно назвали М-теорией. Теория не является законченной. Тем не менее, две основные ее характеристики уже установлены физиками. Во-первых, М-теория рассматривает 11 измерений. Новое пространственное измерение (в дополнение к уже существовавшему десятимерному многообразию) позволяет осуществить синтез пяти вариантов теории струн. Кроме того, уже существовавшая на тот момент одиннадцатимерная квантово-полевая теория супергравитации органично вписалась в существующий ансамбль из пяти теорий струн. Во-вторых, М-теория кроме колеблющихся струн включает и колеблющиеся двумерные мембраны и трехмерные капли (и многие другие составляющие). М-теорию также называют суперсимметричной теорией струн, или теорией суперструн.

В связи с вопросом о природе материи вполне закономерен интерес: является ли струна (а также ее аналоги – многомерные браны) конечным и неделимым «кирпичиком мироздания»? Струны, как было указано выше, порождают элементарные частицы посредством разных мод колебаний. Элементарные частицы и их массы возникают как в процессе самоорганизации безмассовых материальных объектов (суперструн), так и за счет спонтанного нарушения симметрии (хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии). Энергия, связанная с массой, черпается из энергии натяжения безмассовой струны, в конечном счете, из энергии суперструнного вакуума. Фундаментальным объектом следует считать квантованное суперструнное поле, возбуждениями которого являются суперструны, взаимодействующие друг с другом и с вакуумом (возникающие из него и поглощающиеся в нем). Геометрическим аспектом суперструнного поля является многомерное суперструнное пространство-время. Теория суперструн демонстрирует, что масса (и вообще вещественность) не является существенной характеристикой материи. Таковой является способность к самоорганизации невещественных объектов, в частности квантов суперструнного поля, или, еще более обще, суперструнного вакуума[13]. Таким образом, струны есть не что иное, как волновые возмущения суперструнного вакуума с нетривиальными топологическими свойствами (механизм Калуцы-Клейна).

Теория струн предсказывает существование частиц-суперпартнеров, частиц с дробным электрическим зарядом. Кроме того, согласно стандартной модели ТЭЧ нейтрино являются безмассовыми. Теория струн на теоретическом уровне допускает, что нейтрино имеют незначительную, но отличную от нуля массу[14]. Теория струн предлагает также несколько кандидатов на роль темного вещества, являющегося компонентом скрытой массы во Вселенной.

Несмотря на то, что имеются альтернативные теории[15], пытающиеся построить единую теорию поля, созданию которой еще А. Эйнштейн посвятил несколько десятилетий, в традиционной науке предпочтение отдается теории струн и теории супергравитации. Это происходит не потому, что эти теории прошли экспериментальную проверку (подтверждение лишь некоторых предположений (бозон Хиггса и частицы-суперпартнеры) может быть получено в связи с повторным запуском Большого адронного коллайдера в 2009–2010 годах), а потому, что эти теории покоятся на принципах перенормировки и симметрии, благодаря которым результаты теоретических вычислений удивительно точно совпали с экспериментом (лэмбовский сдвиг в КЭД и обнаружение W- и Z-бозонов в 1983 году для электрослабого взаимодействия).

источник: http://www.pravoslavie.ru/