Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
Более того, если у нас не будет способа превращать кварки в лептоны и наоборот, протоны станут буквально бессмертными. Протоны уникальны тем, что это самые легкие барионы — это общее название для всего, что состоит из кварков. Так что если избавиться от кварков невозможно, то протонам как самым легким барионам не во что распадаться.
Однако в рамках теории Великого объединения лептоны и кварки — это просто разные аспекты одной метачастицы, так что при очень высоких энергиях (или с очень низкой вероятностью) кварки могут спонтанно превращаться в электроны и наоборот. В результате общее число барионов может и не сохраняться — и тогда протоны будут жить не вечно. Может статься, это очень хороший способ проверить вашу любимую теорию Великого объединения.
Например, есть (или была) другая очень популярная теория Великого объединения — SU (5)[112]. Она тесна связана с SO (10) математически и во многих отношениях гораздо проще. При прочих равных условиях мы должны предпочитать простую модель сложной — так велит бритва Оккама. В своей статье об этой гипотезе Джорджи и Шелдон Глэшоу писали:
Возможно, гипотеза наша ошибочна, а рассуждения пусты, однако уникальность и простота нашей схемы сами по себе достаточная причина воспринимать ее всерьез.
С другой стороны, SU (5) предсказывает распад протона с периодом примерно в 1030 лет, что на первый взгляд как-то очень уж много; однако вспомним, что если собрать много-много протонов в одном месте, мы сможем увидеть, распадется ли какой-нибудь из них с таким периодом полураспада. И наши нынешние оценки этого периода более чем в 10 000 раз выше, поэтому SU (5) мы забраковали.
На этом, разумеется, история не кончается. Теории Великого объединения прямо-таки кишмя кишат, и некоторые из них предсказывают большое число массивных частиц, которые мы, однако, не наблюдаем. Некоторые предполагают, что у лептонов есть четвертый цвет помимо красного, синего и зеленого цвета кварков. Самые надежные экспериментальные доказательства мы получим, либо когда увидим распад протона, либо когда зарегистрируем частицу темного вещества. А пока ничто не мешает нам и дальше предаваться досужим домыслам.
Исключительно простая Теория Всего
Хотя у нас пока нет даже общепринятой теории Великого объединения, некоторые ученые очень хотят срезать напрямик и выдвигают сразу Теорию Всего, которая вместе с остальными тремя взаимодействиями охватывает и гравитацию.
Физик Гаррет Лиси — сам по себе фигура колоритная. Он не работает ни в каких академических учреждениях, а время свое в основном проводит катаясь на серфинге на Гавайях, а зимой — на сноуборде в Колорадо. Довольно долго у него не было даже крыши над головой — он жил в машине. Велик соблазн относиться к такому человеку без должного уважения, особенно если у тебя узковат кругозор, и тем удивительнее, что в 2007 году он выдвинул теорию, которая, по его словам, объясняет вообще все в физике. А еще удивительнее то, что хотя подтверждения теория не получила, красоты она необычайной.
Теория Лиcи основана на математической симметрии под названием Е8, которую сам ученый называет «Исключительно простой Теорией Всего». Само по себе ее название — это такая шутка (что дает наглядное представление о чувстве юмора у математиков). «Исключительно простой» эта теория названа не для того, чтобы вы почувствовали себя идиотом, если ее не поймете. На самом деле E8 — это одна из пяти особых «Исключительно простых симметрий», которые описал в конце XIX века математик Вильгельм Киллинг (ничего себе фамилия, кстати: она означает «убийство»).
Наглядное представление об этой теории отчасти дает рисунок на предыдущей странице. Каждая точка на нем — это частица, однако, как и на схеме, где изображена стандартная модель, два кварка с разными цветами и спинами отражены на схеме двумя разными точками.
Я не требую, чтобы вы пересчитали все возможные варианты частиц в стандартной модели и на схеме Е8, но если бы вы решили это сделать, то пришли бы к выводу, что здесь недостает 22 частиц и что на месте этих пробелов должны быть частицы, которых мы еще не видели.
В частности, Е8 интересна еще и тем, что охватывает не только сильное взаимодействие, но и гравитацию. В результате масса, которая играет для гравитации роль заряда, включена в нее как отдельная точка для каждого из трех поколений.
Сам Лиси считает, что его теория еще в процессе разработки, и я должен отметить — чтобы исключить недоразумения, — что даже если Теория Всего охватывает гравитацию, это не то же самое, что квантовая теория гравитации. Иначе говоря, даже в самом лучшем случае Е8 не поможет разобраться в сильных гравитационных полях.
Физическое сообщество отнеслось к Е8 крайне скептически. Во-первых, эта модель не предсказывает массы частиц второго и третьего поколения, даже если вручную ввести в нее массы частиц первого поколения (тех частиц, с которыми мы знакомы лучше всего). Во-вторых, теория Е8 весьма бесцеремонно соединяет фермионы и бозоны в одну метачастицу. А это не пустяки. Помните, что для того, чтобы фермион выглядел по-прежнему, вам придется повернуть его дважды, а большинство бозонов будут выглядеть как раньше уже после одного поворота. Так что объединить их в одну частицу — задача не такая уж тривиальная, поскольку это нарушение симметрии.
При всем при том, отношения между фермионами и бозонами еще могут натолкнуть нас на важные шаги к пониманию симметрии во вселенной.
Суперсимметрия
Итак, у нас есть кучка частиц под названием фермионы и кучка других частиц под названием бозоны, и когда нужна сила, они взаимодействуют друг с другом, после чего считают свою задачу выполненной. С организационной точки зрения представляется, что они совсем разные. Фермионы строятся в аккуратные шеренги и колонны, а бозоны шныряют где попало — следствие той случайной симметрии, которая их породила.
Однако их взаимодействия бывают неожиданными.
Возьмем, к примеру, то, как устроена жизнь бозона Хиггса. С одной стороны, бозон Хиггса придает массу прочим частицам; с другой — прочие частицы должны также составлять массу самого бозона Хиггса. Как и в случае поля Хиггса, все сводится к тому, как одно поле взаимодействует с другим. Поскольку взаимодействие — это просто еще один синоним слова «энергия», а энергия и масса взаимозаменяемы, то масса бозона Хиггса, которую мы намеряли в Большом адронном коллайдере, не обязательно та настоящая масса, которую мы получили бы, если бы сумели отсечь все взаимодействия.
Все это точный аналог вышеописанной истории с экранирующим эффектом и беспримесным зарядом электрона. Бывает так, что видишь одно, а получаешь другое. Причем поправка к массе бозона Хиггса должна быть огромная, в целом порядка планковской массы. В Большом адронном коллайдере намеряли массу бозона Хиггса примерно в 200 квадрильонов раз меньше планковской. Тот факт, что эта масса так мала, однако не равна нулю, никак нельзя считать случайностью. Это означает, что подлинная масса бозона Хиггса должна быть необычайно тонко подстроена так, чтобы поправка и чистая масса почти, но не совсем, уравновешивали друг друга — примерно с точностью 1/1017.
Шансы, что нечто подобное происходит в природе чисто случайно, до смешного малы.
Я привел вам поправку массы только для электронов и позитронов, однако существует множество других разновидностей частиц. И все они наверняка взаимодействуют с частицей Хиггса и тоже обеспечивают поправку к массе.
Во всем этом есть одна жутковатая подробность. Как мы уже видели, если подменить частицу другой такой же, фермионы связаны с — 1, а бозоны с +1. Сейчас эти плюс и минус единица снова нам пригодятся, просто на сей раз у них будет несколько иная роль. Для каждого вида фермионов мы вычитаем что-то из чистой массы, чтобы получить наблюдаемую массу — вот почему я прибег к вычитанию, когда говорил об электронах, — а для бозонов прибавляем что-то к наблюдаемой массе. Разве не было бы замечательно (это только отчасти риторический вопрос), если бы типов фермионов и бозонов было поровну?
В самом лучшем случае они могли бы в точности взаимоуничтожиться.
На самом деле нам все равно, какова чистая масса частиц — в точности так же, как нам все равно, каков беспримесный электрический заряд. Просто жутко бесит, что поправки такие точные. Однако всегда можно воткнуть голову в песок, если хочется.
Ричарду Фейнману это обстоятельство тоже не нравилось (и при этом он был вынужден опираться на него).
Игра в наперстки, которой мы предаемся… строго говоря, называется перенормировкой. Но при всей учености этого слова сам процесс, по-моему, — сущее сумасшествие! Из-за того, что мы вынуждены прибегать к подобным трюкам, нам не удается доказать, что теория квантовой электродинамики математически самодостаточна. Удивительно, что самодостаточность этой теории до сих пор не удалось доказать так или иначе; подозреваю, что перенормировка математически нелегитимна.
