В начале февраля 2018 года сообщество физиков высоких энергий – интересующихся частицами, полями, струнами, чёрными дырами, и всей Вселенной в целом – скорбило о потере одного из величайших физиков-теоретиков нашего времени, Джо Полчински. Мне чрезвычайно больно писать эти строки.

Всем, кто знал его лично, будет не хватать его особенных качеств – мальчишеской улыбки, странноватого чувства юмора, очаровательной манеры останавливаться на половине фразы, чтобы подумать, физической формы и стремлению к дружеским соревнованиям. Всем, кто знаком с его исследованиям, будет не хватать его особенного гения, исключительных идей, уникальной комбинации способностей, которые я попытаюсь обрисовать вам далее. Те из нас, кому повезло быть знакомым с ним лично и профессионально, испытывают двойную потерю.

Полчински – а для всех его коллег просто Джо – обладал одним из тех умов, что работают волшебным образом и выдают волшебство. Научные умы разнятся так же, как и личности. У каждого физика есть уникальная комбинация навыков и талантов (и слабостей); говоря современным языком, у каждого из нас есть одна-две сверхспособности. Редко можно встретить двух учёных с одинаковыми способностями.

У Джо было несколько сверхспособностей, и очень сильных. У него была потрясающая способность смотреть на старые задачи и видеть их в новом свете, что часто переворачивало здравый смысл или переформулировало его новым, более ясным способом. И у него были поразительные технические навыки, позволявшие ему следовать до самого конца по путям сложных вычислений, оттолкнувшим бы большинство из нас.

Совместная работа с Джо была одной из величайших привилегий в моей жизни – и это происходило не один раз, а целых четыре. Я думаю, что лучше всего у меня получится рассказать вам о нём и о нескольких его величайших достижениях через призму этого незабываемого опыта.

Наши совместные работы с 1999 по 2006 года представляли собой определённую последовательность, нацеленную на понимание устойчивой взаимосвязи между квантовой теорией поля – языком физики частиц – и теорией струн – сегодня лучше всего известной в роли кандидата на квантовую теорию гравитации. В каждой из этих работ, как и во многих тысячах других, написанных после 1995 года, главную роль играл один влиятельный вклад Джо в физику. Это было открытие объектов, известных, как D-браны, обнаруженных им в контексте теории струн.

Я уже слышу, как мне кричат спорщики, ненавидящие теорию струн. «Открытие в теории струн, — крикнет кто-нибудь, стукнув по столу, — в непроверенной и непроверяемой теории, нельзя называть открытием в физике». Не обращайте на них внимания – как вы увидите ближе к концу этого текста, они мало что понимают.

Великое открытие

В 1989 году Джо, работая с двумя молодыми учёными, Джином Дай и Робом Лей [Jin Dai and Rob Leigh], изучал некоторые особенности теории струн и занимался небольшими математическими упражнениями. В теории струн струны обыкновенно представляют собой небольшие линии или петли, которые могут свободно перемещаться – наподобие частиц, перемещающихся в комнате. Но в некоторых случаях частицы не могут перемещаться свободно; можно, к примеру, изучать частицы, запертые на поверхности жидкости или в очень тонком металлическом усике. У струн могут существовать захваты другого типа, которых не бывает у частиц – можно, допустим, закрепить один конец, или оба конца струны на поверхности, позволяя средней части струны свободно двигаться. То место, где может крепиться конец струны – будь это точка, линия или поверхность, или что-то более экзотическое из высших измерений – сегодня мы называем «D-браной».

Джо с коллегами наткнулись на клад, только поняли это не сразу. Оглядываясь назад, они обнаружили, что D-браны принадлежат к автоматическим свойствам теории струн. Они не являются чем-то необязательным; нельзя изучать теории струн, в которых нет D-бран. И это не просто неподвижные поверхности или линии. Это физические объекты, способные перемещаться по миру. У них есть масса и они оказывают гравитационное воздействие. Они двигаются и отталкиваются друг от друга. Они так же реальны и так же важны, как сами струны!

Рис. 1: D-браны (зелёные) – физические объекты, на которых могут оканчиваться фундаментальные струны (красный)

Получилось так, будто Джо с коллегами попытались понять, почему курица перешла дорогу , а в результате открыли существование велосипедов, автомобилей, грузовиков, автобусов и реактивных самолётов. Настолько это было неожиданно и глубоко.

И всё же никто, включая и Джо с коллегами, до конца не понял, что они натворили. Роб Лей, соавтор Джо, пару лет сидел в соседнем с моим офисе, и мы вместе с ним в период с 1993 по 1995 написали пять работ. При этом, как мне кажется, Роб упоминал свою работу по D-бранам один-два раза, мельком, и никогда не объяснял мне её подробно. В начале 1995 их работу упомянули не более 20 раз.

В 1995 году понимание теории струн шагнуло далеко вперёд. Именно тогда стало понять, что все пять известных типов теории струн являются разными сторонами одной игральной кости – что на самом деле теория струн едина. Появился целый поток работ, в которых главную роль играли особые чёрные дыры и их обобщение – чёрные струны, чёрные поверхности и прочее. Взаимосвязи между ними были очень интересными, но часто непонятными.

А затем, в октябре 1995 года, появилась работа, навсегда изменившая всё это обсуждение. Это Джо объяснял про D-браны нам, тем, кто едва слышал о его ранней работе, и демонстрировал, что многие из этих чёрных дыр, чёрных струн и чёрных поверхностей на самом деле были D-бранами. Благодаря его работе все вычисления стали проще, яснее и точнее; она сразу стала хитом. К началу 1996 года её упомянули 50 раз; через двенадцать месяцев количество упоминаний приближалось к 300.

Ну и что такого? Для специалистов по теории струн это здорово, но с реальным миром и экспериментами у неё нет никакой связи. Зачем это нужно всем остальным? Терпение, я к этому веду.

Как это связано с природой?

На сегодня мы пытаемся понять, как работает Вселенная, при помощи частиц. Материальные объекты состоят из атомов, они состоят из электронов, двигающихся по орбите вокруг ядра; ядро состоит из нейтронов и протонов. В 1970-х мы узнали, что протоны и нейтроны сами состоят из частиц под названием кварки, антикварки и глюоны – конкретно, из «моря» глюонов и нескольких пар кварк/антикварк, плюс ещё трёх дополнительных кварков, у которых нет своей антикварковой пары – их часто называют «валентными кварками». Протоны, нейтроны и все остальные частицы с тремя валентными кварками называются " барионами". Заметьте, что частиц с одним, или двумя, или четырьмя валентными кварками не существует – есть только барионы с тремя. 

В 1950-х и 1960-х физики открыли короткоживущие частицы, похожие на протоны и нейтроны, с таким же морем, но содержащие один валентный кварк и один валентный антикварк. Частицы такого типа называют " мезонами«. На рис. 2 я набросал типичный мезон и типичный барион. Простейший мезон называют " пионом»; это самая распространённая частица из получаемых в столкновениях протонов с протонами на Большом адронном коллайдере.

Рис. 2: валентные кварки красные, антикварки синие; морские кварки, антикварки и глюоны чёрные.

Но в 1960-х то, что мезоны и барионы состоят из кварков и глюонов, было всего лишь идеей – и она соревновалась с предложением, согласно которому мезоны представляли собой крохотные струны. Спешу уточнить, что они не являются струнами из «теории всего», о которых можно прочесть в книжках Брайана Грина, и которые в миллиард миллиардов раз меньше протона. В струнах из «теории всего» все типы частиц природы, включая электроны, фотоны и бозоны Хиггса, представляют собой крохотные струны. А я сейчас говорю о струнах из «теории мезонов» – не такой амбициозной идее, согласно которой струнами являются лишь мезоны. Они гораздо крупнее: их длина сравнима с диаметром протона. Для человека это небольшой размер, но по сравнению со струнами из «теории всего» – гигантский.

Почему же люди думали, что мезоны – это струны? Потому что тому были экспериментальныеподтверждения! И эти свидетельства никуда не делись после открытия кварков. Вместо этого физики-теоретики постепенно всё лучше понимали, почему кварки и глюоны способны породить мезоны, ведущие себя похожим на струны образом. Если достаточно быстро раскрутить мезон (а это может случайно произойти в эксперименте), его валентные кварк и антикварк могут разделиться, а море объектов между ними сформировать «потоковую трубку» (см. рис. 3). (В некоторых сверхпроводниках похожие потоковые трубкимогут улавливать магнитные поля). Это больше похоже на толстую, чем тонкую, струну, но у неё всё равно есть общие со струной свойства, поэтому мы можем получить экспериментальные результаты, сходные с предсказаниями теории струн.

Рис. 3

Поэтому, начиная с середины 1970-х, люди были уверены в том, что квантовые теория поля, вроде такой, что описывает кварки и глюоны, могут породить объекты, ведущие себя, как струны. Многие физики – включая и самых знаменитых и уважаемых – делали даже более смелые заявления: что квантовая теория поля и теория струн глубоко связаны между собой на фундаментальном уровне. Но они не смогли точно указать, как именно; у них были явные свидетельства, но они не были полностью ясными и убедительными.

В частности, существовала важная нерешённая загадка. Если мезоны – это струны, то что такое барионы? Что такое протоны и нейтроны, с их тремя валентными кварками? Как они будут выглядеть, если их быстро раскрутить? Люди рисовали изображения, немного похожие на рис. 3. Барион, возможно, превратится в три соединённые потоковые трубки (и одна, возможно, будет гораздо длиннее двух других), в каждой из которых на конце будет свой валентный кварки. Такой барион представлял бы собой три струны, у каждой из которых есть свободный конец, имеющих общее место соединения. Это соединение назвали «барионной вершиной» [baryon vertex]. Если мезоны – это маленькие струны, фундаментальные объекты в теории струн, что тогда представляет собой барионная вершина с точки зрения теории струн? Где она прячется в математике теории струн и из чего состоит?

Рис. 4

(Обратите внимание: вершина никак не связана с кварками. Это свойство моря – конкретно, глюонов. Поэтому в мире, где есть только одни глюоны – в мире, струны которого формируют петли без окончания – должно быть возможным, приложив достаточно энергии, создать пару вершина/антивершина. Поэтому теория поля предсказывает, что эти вершины должны существовать в теориях закрытых струн, хотя и должны быть линейно ограничены.)

Никто не знал. Но разве не интересно, что самой отличительной чертой этой вершины было то, что это то место, к которому присоединён конец струны?

В период с 1997 по 2000 всё поменялось. После идей, предложенных многими другими физиками, и при использовании D-бран в качестве основного инструмента, Хуан Малдасена наконец построил эту точную связь между квантовой теорией поля и теорией струн. Он смог связать струны с гравитацией и дополнительными измерениями, о чём можно прочитать в книжках Брайна Грина, с физикой частиц всего в трёх пространственных измерениях, похожих на реальный мир и в присутствии негравитационных сил. Вскоре стало понятно, что наиболее амбициозные и радикальные идеи 70-х оказались правильными: что почти любую квантовую теорию поля, с её частицами и взаимодействиями, можно рассматривать, как теорию струн. Это немного похоже на то, как одну и ту же картину можно описать на английском или японском языке: поля/частицы и струны/гравитация в этом контексте представляют собой два очень разных языка, говорящих об одном и том же.

Сага о барионной вершине пошла по новому пути в мае 1998 года, когда Эд Уиттен показал, как в примерах Малдасены появляется похожая вершина. Неудивительно, что эта вершина была D-браной – конкретно, D-частицей, объектом, на котором могут заканчиваться струны, простирающиеся от свободно передвигающихся кварков. Этот результат не был полностью удовлетворительным,, поскольку глюоны и кварки из примеров Малдасены перемещаются свободно, не формируя мезоны или барионы. Соответственно, барионная вершина – это не физический объект; если её сделать, она быстро растворяется в ничто. Тем не менее, из работы Уиттена стало очевидно, что происходит. В той мере, в какой реальные мезоны можно рассматривать, как струны, реальные протоны и нейтроны можно рассматривать, как струны, соединённые с D-браной.

Более реалистичных примеров, найденных теоретиками, не пришлось ждать долго. Не помню, кто был первым, но знаю, что один из самых ранних примеров появился в нашей с Джо работе в 2000-м.

Работая с Джо

Этот проект появился во время моего визита в сентябре 1999 года в KITP (Институт теоретической физики им. Кавли) в Санта-Барбаре, где работал Джо. Незадолго до этого получилось так, что я изучал теорию поля под названием N=1*, лишь немного отличавшуюся от примеров Малдасены, в которой могли формироваться мезоноподобные объекты. Одним из первых докладов, услышанных мною по прибытии в KITP, был доклад Роба Майерса об открытом им странном свойстве D-бран. Во время доклада мне в голову пришла связь между наблюдением Майерса и одним из свойств теории N=1*, и я испытал момент просветления, ради которого физики и живут. Я внезапно понял, как должна выглядеть теория струн, описывающая теорию поля N=1*.

Но мне этот ответ не понравился. Стало очевидно, что детальные расчёты будут чрезвычайно трудными и потребуют использования аспектов теории струн, о которых я почти ничего не знал (неголоморфные искривлённые браны в искривлённой геометрии высших измерений). Всё, на что я мог надеяться, работая в одиночку – это написать концептуальную работу с кучей картинок и с преобладанием гипотез над доказуемыми фактами.

Но я был в KITP. У нас с Джо какое-то время было хорошее взаимопонимание, и я знал, что нам кажутся интересными одни и те же вопросы. А ещё Джо был магистром бран; он знал всё о D-бранах. Поэтому я решил, что наилучшим выходом для меня будет убедить Джо присоединиться к работе. Я пустился в настойчивое упрашивание, и, к счастью, это сработало.

Я вернулся на восточное побережье, и мы с Джо приступили к работе. Раз в одну-две недели Джо отправлял мне заметки по исследованиям с предварительными расчётами по теории струн. Их уровень технической сложности был так высок, а учебных моментов в них было так мало, что я чувствовал себя ребёнком; я едва мог понимать, что происходит. Продвигались мы медленно. Джо выполнял важные предварительные вычисления, но мне было очень трудно за ними следить. А если предварительные вычисления для теории струн были настолько сложными, могли ли мы надеяться решить всю задачу целиком? Даже Джо немного беспокоился.

Однажды я получил сообщение, полное победоносного кудахтанья – нечто вроде «мы их сделали!», настроения, которое мог бы распознать любой, знакомый с Джо. Использовав потрясающий трюк, он придумал, как использовать свои предварительные вычисления для облегчения полной задачи! Вместо месяцев тяжёлой работы оказалось, что мы практически закончили.

И с этого момента работа стала очень интересной! Почти каждая неделя развивалась так. Я размышлял над известным мне явлением из квантовой теории поля, которое должно описываться с точки зрения теории струн – о таком, как барионная вершина. О D-бранах мне было известно достаточно, чтобы выработать эвристическое доказательство того, как это должно выглядеть. Я звонил Джо, рассказывал ему об этом, и, возможно, отправлял ему наброски. Через несколько дней по емейл приходил набор заметок, содержащий полные вычисления, подтверждающие это явление. Каждое вычисление было уникальным, драгоценным, включающим характерное исследование D-бран экзотической формы, находящихся в искривлённом пространстве. Дух захватывало от наблюдения за скоростью, с которой работал Джо, за широтой и глубиной его математического таланта, за его несравненным пониманием этих бран.

За годы нашей совместной работы, когда мы хотели углубиться в уравнения, это всегда было примерно так; Джо неизбежно оставлял меня далеко позади, качающим головой в изумлении. Это мой недостаток – для физика я довольно средне провожу вычисления. Но Джо был невероятно хорош в этом.

К счастью для меня, совместной работой можно было наслаждаться, потому что я почти всегда мог выдерживать темп Джо в области концептуальных проблем, а иногда и обгонял его. Среди любимых моих воспоминаний как учёного есть моменты, когда я обучал Джо чему-то, чего он не знал; он на несколько секунд замолкал, быстро кивал и, разбираясь в проблеме, делал внимательный взгляд, прищурив глаза и приоткрыв рот. «Ага, ага», — бывало, повторял он.

Другая грань Джо открылась во время работы над второй нашей научной работой. Мы стояли в холле KITP, общаясь по новой теме, и ещё до того, как мы решили, над каким именно вопросом мы будем работать, Джо вдруг угадал ответ! И я не мог заставить его объяснить, какую задачу он решил, не говоря уж о том, чтобы вытянуть решение, в течение нескольких дней! Это сбивало с толку.

Это была ещё одна классическая способность Джо. Иногда он знал, что нашёл разгадку (и почти всегда оказывался прав), однако не мог сказать ничего определённого об этом, пока не подумает несколько дней и не превратит свои идеи в уравнения. Во время нашей совместной работы это происходило несколько раз. (Я никогда не говорил ему «Используй слова, Джо», но, видимо, надо было). Его разум каким-то образом работал в областях, не подвластных языку, и так, как никто из нас, находясь вне его мозга, не понял бы. В нём было что-то от оракула.

Смотря за горизонт

После 2006 года наши интересы постепенно расходились; я сконцентрировался на Большом адронном коллайдере (также известном, как Большой D-бранный коллайдер), а Джо, после нескольких исследований, решил заняться горизонтами чёрных дыр и информационным парадоксом. Но я наслаждался его работой на расстоянии, особенно когда в 2012 году Джо с тремя коллегами (Ахмедом Альмейри, Доном Марольфом и Джеймсом Салли) взорвали идею комплементарности чёрных дыр, на которую многие возлагали надежды по решению информационного парадокса. Остатки этой идеи всё ещё дымятся, а парадокс никуда не делся.

Затем Джо заболел, и мы начали терять его – в слишком молодом возрасте. Одним из его последних даров для нас были его мемуары, из которых каждый из нас узнал нечто о нём, чего не знал ранее. Наконец, он пересёк горизонт, из-за которого не возвращаются. Если там нет файервола, то он об этом, наконец, узнал.

Мы можем задуматься над тем, что будет с научным наследием Джо через несколько десятилетий? Тяжело предвидеть, как работу теоретика будут оценивать через сто лет; иногда изменения происходят в неожиданном направлении, и то, что сейчас кажется неважным, может в будущем стать главным – как это было с самими D-бранами в течении 1990-х. Для тех, кто работает с ними сегодня, D-браны в теории струн явно наиболее важное открытие Джо – хотя его вклад в наше понимание чёрных дыр, космических струн и аспектов теории поля не будет забыт ни скоро, ни, возможно, никогда. Но кто знает? К 2100 году теория струн может оказаться как общепринятой теории гравитации, так и малоизвестным инструментом для изучения квантовых полей.

Но даже если произойдёт и последнее, я всё же подозреваю, что Джо запомнят за D-браны. Потому что – как я попытался доказать – они реальны. На самом деле реальны. В каждом протоне, в каждом нейтроне есть по одной. Наши тела содержат их миллиарды миллиардов миллиардов. За эту идею, за этот элементарный вклад в человеческое знание, наши потомки должны винить Джозефа Полчински.

Спасибо за всё, Джо. Нам будет ужасно тебя не хватать. Ты так часто обучал нас новым способам взглянуть на мир, и даже на самих себя.