КЛКТ — космологическая константа в теории струн¶

КЛКТ (Коллективное решение Ландау — Лишкевича — Теории струн, англ. String Landscape) — гипотетическая совокупность вакуумных состояний («ландшафт» метастабильных вакуумов), допускаемых общей теорией струн и струнной теорией суперструн. В рамках этого подхода известные физические константы, включая космологическую постоянную, рассматриваются не как фундаментальные величины, а как значения, выбранные из огромного, возможно экспоненциально большого набора допустимых решений уравнений теории. Термин «ландшафт струнной теории» (string landscape) был введён в оборот в начале 2000-х годов Ленардом Сасскиндом (Leonard Susskind) и получил широкое распространение в космологической и теоретико-физической литературе.

¶История возникновения

Идея множественности вакуумных состояний в теории струн восходит к работам начала 1980-х годов, когда было показано, что теория суперструн допускает огромное число различных компактификаций дополнительных измерений. Каждой схеме свёртывания многомерного пространства-времени в четырёхмерный наблюдаемый мир соответствует своя эффективная низкоэнергетическая теория поля со своими константами связи и массами частиц.

В 1986 году было открыто, что теория струн обладает симметрией, получившей название S-дуальность, а позднее — T-дуальность, что указывает на существование множества эквивалентных описаний одной и той же физической ситуации. Работы по классификации калибровочных групп, возникающих при компактификации 10-мерной суперструнной теории на внутренних многообразиях (Калаби — Яу), показали, что число возможных вариантов физики в четырёх измерениях может достигать 10^500 и более.

Ключевой вклад в формирование концепции внёс Майкл Грин (Michael Green), Джон Шварц (John Schwarz) и Эдвард Виттен (Edward Witten), чьи работы конца 1980-х — начала 1990-х годов заложили основы «второй суперструнной революции». В 2003 году Сасскинд совместно с Р. Буссо, С. Качру и другими исследователями показал, что число метастабильных вакуумов в теории струн, вероятно, экспоненциально велико, и предложил использовать это обстоятельство для объяснения малости наблюдаемой космологической постоянной.

¶Структура ландшафта

Каждый «вакуум» в ландшафте — это конкретное решение уравнений струнной теории, определяющее:

• группу симметрий низкоэнергетической физики (например, SU(3)×SU(2)×U(1) стандартной модели);
• спектр элементарных частиц и их массы;
• значения констант взаимодействий;
• значение космологической постоянной (энергии вакуума).

Число таких решений оценивается как порядка 10^500 — величина, настолько большая, что она превосходит число атомов в наблюдаемой Вселенной. Большинство этих вакуумов нестабильны и распадаются, порождая «пузыри» нового пространства-времени — процесс, описываемый в космологии инфляцией.

¶Антропный принцип и космологическая постоянная

После того как в 1998 году было экспериментально установлено ускоренное расширение Вселенной (Нобелевская премия по физике 2011 года — Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт, Адам Рисс), стало ясно, что космологическая постоянная отлична от нуля, но чрезвычайно мала: примерно 10^-122 в единицах Планка. Теоретическое предсказание такого значения из первых принципов отсутствует.

В рамках ландшафтной парадигмы малое значение космологической постоянной объясняется антропным отбором: из экспоненциально большого числа вакуумов лишь немногие допускают существование звёзд, планет и сложной материи. Наблюдатель, разумеется, обнаруживает себя именно в таком вакууме. Этот подход был впервые предложен Стивеном Вайнбергом (Steven Weinberg) ещё в 1987 году для предсказания величины космологической постоянной, а позднее обобщён на параметры Стандартной модели.

¶Критика

Ландшафтная парадигма подвергается существенной критике со стороны ряда физиков:

1. Непроверяемость. Большинство вакуумов в ландшафте не соответствуют четырём наблюдаемым измерениям и не могут быть исследованы экспериментально.
2. Отказ от точного предсказания. Критики, включая Питера Войта (Peter Woit) и Ли Смолина (Lee Smolin), указывают, что объяснение через антропный отбор лишает теорию прогностической силы — она перестаёт предсказывать конкретные значения констант.
3. Альтернативные направления. Противовесом ландшафтной идее служат программы «сингулярного ландшафта» (Swampland programme) и «многообразия Калаби — Яу с жёсткими ограничениями», предлагающие сократить число допустимых решений.

¶Связь с космологией

Идея ландшафта тесно связана с гипотезой хаотической инфляции Андрея Линде (1983) и теорией «много пузырькового вселенной» (eternal inflation), в которой новые вселенные непрерывно рождаются внутри инфляционного пространства. В российской физической традиции вклад в развитие инфляционной космологии внесли А. Д. Линде, А. А. Старобинский, В. Ф. Муханов и Г. Ч. Чибисов.

¶Статус в науке

Ландшафт струнной теории остаётся гипотетической концепцией. Она не входит в число общепринятых результатов физики и не имеет прямого экспериментального подтверждения, однако активно используется как рабочая модель в публикациях по космологии и теории струн.

¶Источники

• Susskind L. The String Landscape, the Swampland, and the Missing Landscape // arXiv:hep-th/0302219.
• Bousso R., Polchinski J. The String Theory Landscape // Scientific American, 2004.
• Weinberg S. The Cosmological Constant Problem // Reviews of Modern Physics, 1989.
• Smolin L. The Trouble with Physics. — Boston: Houghton Mifflin, 2006.
• Linde A. D. Inflation and Quantum Cosmology. — Academic Press, 1990.
• Green M. B., Schwarz J. H., Witten E. Superstring Theory. — Cambridge University Press, 1987.