Пятый элемент

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. 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 теоретиков из Массачусетского технологического института, появилась первая работоспособная теория такого типа.

На прошлой неделе New Scientist опубликовал статью, посвященную работам двух выдающихся теоретиков - профессора Массачусетского технологического института Сяо Гань Вэня и докторанта Гарварда Майкла Левина, пишет еженедельник Smoney. Разбираясь в тонкостях созданной ими теории строения фундаментальных частиц, Вэнь и Левин наткнулись на новую, пятую форму существования материи. Еще в середине XX в. физики подметили, что некоторые среды, состоящие из элементарных (то есть неделимых) частиц вроде электронов, иногда ведут себя так, как будто они все-таки состоят из более мелких объектов. Например, был обнаружен дробный квантовый эффект Холла: в сильном магнитном поле "облака" электронов в проводниках своим поведением напоминают сборище неизвестных науке частиц с нецелым электронным зарядом.

Теория, разрабатываемая Вэнем и Левином, гласит, что элементарные частицы - это всего лишь возбужденные состояния принципиально нового объекта - струны, которая может быть любого размера (не надо путать ее с микроскопическими суперструнами из другой популярной теории). Плотный спутанный клубок струн - это, по сути, вся материя вокруг нас. Частицы - волны возбуждения, пробегающие по струнам, а также их колеблющиеся концы. Когда струнный клубок ничто не тревожит, это просто вакуум. Если все элементарные частицы связаны между собой, значит, каждая из них живет не своей отдельной жизнью, а в мире и согласии с набором ближайших соседей. Среды из таких частиц называются конденсированными. Вэнь и Левин вычислили, что в некоторых случаях "струнный конденсат" похож на жидкость из не существующих на самом деле частиц. Это и есть пятый элемент - все из ничего.