Знаменитому ФИАН - Физическому институту им. П.Н.Лебедева - в этом году исполняется 75 лет. С этого номера газета начинает публикацию материалов, рассказывающих о работах его ученых и различных сторонах деятельности института.

Вот уже лет тридцать многие ученые увлечены теорией струн. Не потому, что вдруг заинтересовались особенностями звучания струнных инструментов - общее с музыкой у этой теории только название, да и здесь оно не более чем образ. Речь идет о физике элементарных частиц, причем о совершенно особом взгляде на их природу, который может существенно, если не кардинально, поменять наши представления о микромире. А возможно (когда теория станет практикой), и образ жизни следующих поколений. Поэтому всем нам нелишне было бы больше узнать об этой “части физики XXI века, которая случайно попала в XX столетие”, как остроумно отозвался кто-то о теории струн. Читатели “Поиска” имеют возможность получить информацию, что называется, из первых рук. По просьбе редакции статью для газеты подготовили признанные специалисты в этой области доктора физико-математических наук Аркадий ЦЕЙТЛИН и Руслан МЕЦАЕВ.

Попытки объяснения всех явлений природы с помощью фундаментальных составляющих материи и соответствующих фундаментальных законов предпринимались давно. Зародившаяся в далекие времена идея об элементарных составляющих и теории всего сущего волновала многих выдающихся исследователей. В ХХ веке идеей построения окончательной теории был одержим Эйнштейн. Он пытался найти решение проблемы в течение последних 30 лет жизни. И хотя все его попытки оказались безуспешными, одержимость Эйнштейна этой идеей привела к тому, что физики часто относятся к проблеме построения окончательной теории как к завещанию великого исследователя.

Проблема единой теории всех взаимодействий включает два аспекта. Первое, это прояснение вопроса о фундаментальных составляющих мироздания. Второе, как эти фундаментальные составляющие взаимодействуют друг с другом. Очевидно, что фундаментальных, элементарных составляющих не должно быть много. Во времена Эйнштейна были известны, например, электрон, протон и нейтрон. Наличие такого небольшого количества элементарных объектов подкрепляло надежду о единой теории, которая основывается на представлении о фундаментальной сущности в виде точечной элементарной частицы. Однако со временем ситуация стала меняться.

Шестидесятые годы XX столетия ознаменовались открытием большого числа новых короткоживущих частиц, названных резонансами. В силу большого количества резонансов было довольно неестественным предположить, что все они являются элементарными частицами. Довольно быстро выяснилось, что такое большое количество резонансов может быть разумным образом описано на основе представления, что элементарным объектом природы является не точечная частица, а некий одномерно-протяженный объект, названный струной. Теории, которые исходят из одномерной протяженности элементарных объектов (в отличие от точечных объектов, используемых в обычной квантовой теории), называются теориями струн. Казалось бы, идея о струнах противоречит экспериментальным наблюдениям о точечной природе элементарных частиц. Однако здесь нет никакого противоречия - струны являются очень короткими, и те экспериментальные приборы, которые у нас есть в настоящее время, не дают возможность детально разглядеть их протяженность.

Таким образом, теория струн первоначально возникла для объяснения динамики сильновзаимодействующих частиц. Сильные взаимодействия являются важными в единой картине мира. Однако помимо них существуют еще три вида взаимодействия - гравитационное, электромагнитное и слабое. Следует отметить, что три взаимодействия, а именно электромагнитное, слабое и сильное, удалось объединить к середине 70-х годов ХХ столетия, основываясь на представлениях об элементарной сущности в виде точечной элементарной частицы. Однако камнем преткновения оставались гравитационные взаимодействия. Заметим, что именно гравитационные силы действуют, например, между Землей и Солнцем. Гравитационные взаимодействия впервые изучал Ньютон, а окончательную теорию этих взаимодействий развил Эйнштейн. Именно гравитационные взаимодействия оказались препятствием для объединения всех взаимодействий на основе представлений о точечных элементарных составляющих природы. Выдающимся открытием, сделанным в середине 1980-х годов, стало осмысление того факта, что именно теория струн позволяет объединить гравитационные взаимодействия с остальными тремя взаимодействиями в рамках единой и самосогласованной теории всех взаимодействий. Таким образом, теория струн, возникшая в конце 1960-х годов из попыток объяснения сильно­взаимодействующих короткоживущих резонансов, начиная с середины 1980-х годов стала рассматриваться как основной кандидат на роль единой теории всех взаимодействий.

Однако в конце 1990-х годов в теории струн появились новые интересные возможности для описания картины мира. Согласно современным представлениям, такие фундаментальные частицы, как протон и нейтрон, строго говоря, не являются элементарными частицами, а состоят из других частиц, названных кварками. Необычное свойство кварков состоит в том, что они никогда не появляются отдельно, а только в паре или тройке. Другое непривычное свойство кварков - то, что их взаимодействие на малых расстояниях оказывается очень слабым, а на больших - сильным. Это усложняет задачу их описания. Начиная с конца 1970-х годов делались попытки (в частности, выдающимся советским физиком Александром Поляковым) использовать теорию струн для описания сильновзаимодействующих частиц (протон, нейтрон и т.п.). Оказалось, что представление о протоне (или нейтроне) как составной частице из трех кварков, соединенных струнами, очень эффективно для описания его свойств. Однако реальный прогресс в этом направлении был достигнут лишь за последние 10 лет, начиная с гипотезы Д.Малдасены (Институт высших исследований, Принстон) о дуальности или эквивалентности специального варианта теории точечных частиц и теории струн, распространяющейся во вспомогательном искривленном пространстве. Гипотеза Д.Малдасены привела к настоящей революции в теоретической физике. Впервые было высказано предположение, что одни и те же физические процессы могут иметь двойственное описание - либо в терминах частиц, либо в терминах струн. Эту дуальность можно сравнить с дуализмом частиц - волна в квантовой механике, где можно представлять волну как коллективное возбуждение многих частиц.

Несколько слов об авторах

Аркадий Цейтлин - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Отделения теоретической физики ФИАН, одновременно является профессором теоретической физики лондонского Империал Колледжа, он член редколлегии Physical Review Letters. А.Цейтлин - автор 250 работ, общий индекс цитирования - более 18 000.

Руслан Мецаев - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Отделения теоретической физики ФИАН. Р.Мецаев - автор 58 работ, общий индекс цитирования - 2800.

Знакомство, а затем и сотрудничество наших авторов имеет давнюю историю: оно началось еще в конце 1980-х годов, когда студент физического факультета МГУ Руслан Мецаев писал дипломную работу по теории струн под руководством кандидата физико-математических наук, младшего научного сотрудника Отделения теоретической физики ФИАН Аркадия Цейтлина. Десять лет назад они написали статью, в которой сформулировали модель теории струн в некотором специальном гравитационном пространстве. И сегодня их статья (она имеет уже более 360 ссылок) остается в центре внимания теоретиков, которые занимаются приложением теории струн к динамике сильно­взаимодействующих частиц.

Сотрудничество ученых продолжается благодаря грантам Фонда “Династия”. (Фонд спонсирует также программы обмена визитами российских и английских молодых ученых). В рамках программы А.Цейтлин регулярно посещает ФИАН, где выступает с докладами о состоянии теории струн, а Р.Мецаев удостоен гранта Фонда “Династия”.