Одно из самых красивых, но редко упоминаемых достижений физики XX века — открытие квазичастиц. Квазичастицы — это коллективные колебания некоторой среды, которые ведут себя так же, как настоящие частицы с некоторой массой. Классический пример — это звуковая волна в твердом теле. С одной стороны, звук — это не что иное как совместное синхронное колебание множества атомов, но с другой стороны, его можно представить и как поток отдельных квазичастиц — фононов, «квантов звука». И здесь возникает вполне естественный вопрос: а может ли оказаться так, что и обычные частицы (электроны, протоны, фотоны) суть всего лишь «коллективные колебания» какой-то особой субстанции? Может быть, есть смысл вернуться к идее эфира, но уже в новом обличии?
Построение такой теории оказалось очень трудной задачей. Ведь недостаточно заявить, что «фотоны суть колебания эфира»; необходимо, чтобы из новой конструкции автоматически следовали законы теории относительности и квантовой механики, чтобы новая теория не противоречила всей массе экспериментальных фактов. В дополнение к этому крайне желательно, чтобы те свойства нашего мира, которые в современной физике элементарных частиц принимаются за аксиомы, нашли объяснение в новой «глубинной теории». Вот наиболее важные из этих аксиом:
Принцип тождественности: оказывается, две частицы одного сорта (например, два электрона) принципиально неразличимы. Откуда это свойство должно следовать, неизвестно.
Бозоны и фермионы: в природе, оказывается, есть два совершенно разных типа частиц — бозоны и фермионы, которые отличаются своими свойствами симметрии. Почему природа не ограничилась лишь одним типом частиц, неизвестно.
Калибровочные взаимодействия: все силы между частицами являются проявлениями особенных частиц — калибровочных бозонов. Например, электромагнитное взаимодействие заряженных частиц описывается как обмен фотонами. В принципе, можно построить теорию одних только частиц вещества, без калибровочных бозонов, или одних только калибровочных бозонов — без вещества. Но в природе они почему-то сосуществуют вместе, «завязаны» друг на друге.
Ситуация начала сдвигаться с мертвой точки лишь в последние десятилетия прошлого века в связи с открытием топологических возбуждений в некоторых системах. Такие возбуждения уже напоминали и фермионы, и калибровочные бозоны, однако попытки описать в этом русле и настоящие электроны с фотонами оставались долгое время неуклюжими. И лишь несколько лет назад, благодаря исследованиям Левина (Michael Levin) и Вена (Xiao-Gang Wen), теоретиков из Массачусетского технологического института, появилась первая работоспособная теория такого типа. В свежем выпуске журнала Review of Modern Physics, публикующего обзорные статьи по наиболее активным направлениям исследований в физике, вышла их статья M. Levin and X.-G. Wen, Rev. Mod. Phys. 77, 871 (2005) (статья доступна также в архиве е-принтов cond-mat/0407140).
Рис. 1. Примерный вид струнного конденсата в дискретной модели (изображение с сайта arxiv.org)Подход, предлагаемый Левиным и Веном, опирается на идею квазичастиц и в корне отличается от предыдущих попыток «конструирования» известных фундаментальных частиц. В их теории такие частицы, как электроны и фотоны, не состоят ни из чего более мелкого, а являются возбуждениями нового объекта — струны. Эти струны вовсе не микроскопические, а сколь угодно большого размера; они не имеют отношения к микроскопическим суперструнам, да и «живут» они в обычном, трехмерном пространстве. Однако сами по себе эти струны ненаблюдаемы из-за того, что вакуум в этой теории (т. е. состояние какого-то объема пространства с наинизшей энергией) представляет собой «струнный конденсат»: плотный запутанный клубок замкнутых и взаимодействующих струн (см. рисунки). В «спокойном» состоянии в нем, образно говоря, почти ничего не шевелится, однако если возбуждение где-то возникло, то оно может передаваться от одной струны к другой, свободно «путешествуя» по этому клубку.
Рис. 2. (a) Фермионы как открытые концы разорванной струны; (b) сама струна, будучи погружена в неустранимый вездесущий струнный конденсат, становится ненаблюдаемой (изображение с сайта arxiv.org)Развивая свою теорию струнного конденсата, американские физики выяснили, что открытые концы разорванной струны ведут себя точь-в-точь как фермионы, а колебания, которые по струне распространяются, — как фотоны. Причем это сопоставление — вовсе не «далекая аналогия», а математически строгое утверждение. Авторы доказали, что открытые концы струны обладают фермионной статистикой, колебания струны реализуют калибровочную симметрию, а взаимодействие между этими типами возмущений тоже имеют все свойства обычных взаимодействий электрона со светом.
В рамках этой же теории, слегка изменив свойства струн, можно описывать и кварки, а отсюда уже недалеко и до всей Стандартной модели элементарных частиц. Подчеркнем, что в такой трактовке многие свойства элементарных частиц уже не являются аксиомами, а вытекают из свойств струн. Включение в эту картину также и гравитации кажется возможным, хотя пока не до конца ясно, как именно это осуществить. Напомним, что именно попыткам (до сих пор, впрочем, безуспешным) объединения гравитации с другими взаимодействиями посвящены тысячи статей, ежегодно публикуемых в физических журналах. Не исключено, что новый подход окажется более успешным.
Игорь Иванов