Если последовательно делить материю на мелкие части, то за молекулами, атомами и протонами обнаруживаются гипотетические объекты – бесконечно малые вибрирующие струны. По расчетам физиков, их размер в миллиард миллиардов раз меньше протона. Теория струн появилась в 1960-х годах как способ примирить квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна. Эти две системы плохо согласуются при описании гравитации в микромире, так как уравнения часто приводят к математическим бесконечностям.
Проверить теорию струн экспериментально на современном этапе развития науки невозможно. Для прямого наблюдения за поведением струн потребовался бы ускоритель частиц размером с галактику. Поэтому ученые из Калифорнийского технологического института и Нью-Йоркского университета использовали метод «бутстрапа». Вместо разработки сложной модели с нуля этот подход позволяет вывести законы природы, опираясь на ограниченный набор фундаментальных принципов, которым должен подчиняться физический мир.
В новой работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи проанализировали столкновения частиц на экстремально высоких энергиях. В расчеты заложили лишь два условия. Первое – свойство «ультрамягкости», когда вероятность рассеяния частиц при росте энергии резко падает, и они словно проходят друг сквозь друга. Второе – требование минимального количества математических «нулей», при которых вероятность взаимодействия исчезает.
Результаты показали, что при соблюдении этих условий математическая структура теории струн проявляется автоматически. Одной из ключевых характеристик стал специфический спектр масс и спинов частиц, напоминающий гармоники вибрирующей струны скрипки. Еще в конце 1960-х годов физик Габриэле Венециано заметил, что частицы в коллайдерах образуют упорядоченные последовательности, однако физическая причина этого явления долгое время оставалась предметом дискуссий.
Теория струн позволяет избежать математических расхождений, которые возникают в общей теории относительности на планковских масштабах. Когда энергия взаимодействия становится критической, струны эффективно распределяют нагрузку, предотвращая потерю смысла уравнениями. Хотя новые выводы не являются прямым физическим доказательством, они подтверждают математическую исключительность теории струн как потенциально единственного непротиворечивого описания квантовой гравитации.
