Среди направлений теоретической физики, изучающих фундаментальные принципы устройства Вселенной, в последние годы все активнее развивается теория высших спинов. Одним из ведущих мировых центров в этой области является Отделение теоретической физики им. И.Е. Тамма ФИАН. Свою работу на семинаре Теоротдела представил Карло Ядзеолла, постдокторант Института физики Чешской академии наук. В интервью «ФИАН-информ» ученый рассказал о высших спинах, их связи с черными дырами и теорией струн.

    – Теория высших спинов практически неизвестна за пределами научных кругов. Расскажите, пожалуйста, в чем ее суть.

    – Начнем с того, что спин – одно из базовых свойств элементарных частиц и описывающих их полей. Так, от того, является ли спин целым или полуцелым, зависит сам характер частицы: ведет ли она себя как переносчик силы или как «кирпичик» материи. В Стандартной модели важна и четность/нечетность спина: она определяет природу взаимодействия, которое «переносит» частица. В электромагнетизме, сильном и слабом взаимодействии участвуют частицы со спином 1, а в гравитационном – гравитон со спином 2. Теория высших спинов, как понятно из названия, описывает гипотетические частицы (и соответственно, поля) произвольного спина, т.е. 3, 4, 5 и т.д., до бесконечности.

    – Как физики пришли к этой идее?

   – С математической точки зрения для существования полей со спином выше 2 нет фундаментальных препятствий. Такую возможность стали рассматривать еще на этапе становления современной физики, в 1930-х годах. Пионерами в этом направлении стали Э. Майорана, П. Дирак, В. Паули, М. Фирц... Хотя фундаментальные (несоставные) частицы с высшими спинами никогда не детектировались, теоретические исследования в этом направлении со временем продолжились и, в частности, набрали обороты в ФИАН.

    – С чем связано ее усиление в последнее время?

   – Здесь есть несколько причин. Пожалуй, самая заметная из них – бурное развитие теории струн. Ее «преимущества» на квантовом уровне, вероятно, обусловлены как раз полями высших спинов, которые содержатся в теории струн. Вибрацию струны можно представить как сумму бесконечного числа простых вибраций с все более высокими частотами (по аналогии с музыкой их называют гармониками), т.е. с более высокими энергиями. Поскольку струна – квантово-механический и релятивистский объект, гармоники ведут себя как бесконечный набор частиц с все увеличивающейся массой и спином. Здесь и вступает в игру теория высших спинов. По сути, теорию струн можно считать ее частным случаем. Именно она может обеспечить теорию струн симметриями, недостающими в теориях более низких спинов. Поэтому вполне вероятно, что теория высших спинов может сыграть решающую роль в построении квантовой теории гравитации.

    – Прокомментируйте, пожалуйста, Ваше выступление в ФИАН.

   – Поскольку теория высших спинов – это своего рода обобщение теории гравитации Эйнштейна, естественным объектом изучения в ней выступают черные дыры. В докладе я предложил варианты решений высших спинов, среди которых были «чернодырные» решения. Эта работа лежит в русле поиска решений уравнений Васильева (они получили название в честь Михаила Андреевича Васильева, в настоящее время возглавляющего сектор квантовой теории поля и квантовой статистики ФИАН – прим. «ФИАН-Информ») – эти уравнения составляют основу сегодняшней теории высших спинов. Поиск интенсивно ведется в последние годы, и, кстати, стал еще одним фактором активизации этой области.

    – Что ожидает теорию высших спинов в обозримом будущем, на Ваш взгляд?

   – Думаю, в ближайшее время ожидаются успехи как раз в физическом понимании решений высших спинов – как посредством анализа инвариантов, так и с помощью данных, которые может дать AdS/CFT-соответствие. Голографические дуальности, задействующие высшие спины, привлекли большое внимание в последнее время, в основном в случае «трехмерной» теории высших спинов. Сейчас мы приближаемся к изучению соответствия и в «четырехмерном» случае.

    Доклад Карло Ядзеоллы прокомментировал канд. ф.-м. наук, старший научный сотрудник Сектора квантовой теории поля и квантовой статистики ФИАН Вячеслав Диденко:

    «Решения чернодырного типа интересны вот почему. В общей теории относительности c ними есть некая проблема – потери унитарности, или иначе – потери информации. Суть ее в следующем. С одной стороны, любая частица, попадая за горизонт событий черной дыры, уже не сможет выйти за область горизонта. С другой, из квантовой теории поля следует, что черная дыра должна излучать (излучение Хокинга). Спектр ее излучения оказывается планковским, т.е. вся информация об упавшем в черную дыру объекте необратимо пропадает. Это противоречит принципам квантовой механики, согласно которым невозможна эволюция «чистого» состояния в «смешанное».

    Эту проблему пытаются решить по-разному. В рамках общей теории относительности и квантовой механики одна из «модных» концепций – парадокс файервола. Объект, «падающий» на черную дыру, будет уничтожен на горизонте «огненной стеной» из высокоэнергетических квантов. Хотя у этой парадигмы есть много последователей, возникла она скорее от бессилия – в попытке «спасти» информацию, запретив ей вообще проникать за горизонт событий. В более консервативных концепциях предлагается восстановить унитарность, например, «пожертвовав» локальностью теории. Пример нелокальных теорий, содержащих гравитацию, – как раз теория высших спинов. Очень важно понять, как влияет эта нелокальность на свойства пространства времени в ее экстремальных режимах – черных дырах.

    Работа Карло продолжает ФИАН-овские исследования, в которых идет поиск адекватных с физической точки зрения решений этой теории. По сути, развит некий формализм, который позволяет получать в явном виде точные решения. В этой относительно молодой области еще много нужно сделать, но основные направления работы уже прощупываются».

О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»