Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

«Почему вас это беспокоило?»

«Потому что я полагал, что Вселенная должна описываться как-то единообразно».

«Почему?»

«Думается, Вселенная должна представлять собой единый согласованный объект», – объясняет Гарретт.

«Вы говорите, что вам не нравилось, как описываются электроны, а это не есть несогласованность», – замечаю я.

«Верно. Но мне правда это не нравилось».

Гарретт говорит, что способ, которым мы сейчас описываем фермионы, не является «естественно геометрическим», и подчеркивает, что слово «естественный» он употребляет в ином смысле, нежели специалисты по физике элементарных частиц.

«Итак, фермионы не являются естественно геометрическими таким же образом, как гравитация и калибровочные бозоны. И это меня беспокоило, сильно. Но не беспокоило никого другого».

«А что насчет суперсимметрии?»

«Я изучал суперсимметрию. Но способ, каким она обычно определяется, очень странный. Неестественный, в математическом смысле. Кроме того, как только возникает формализм, описывающий бозоны и фермионы, он требует наличия суперсимметричных партнеров для всех частиц. А мы их не видели. И продолжаем не видеть», – говорит он, явно довольный.

«Так что я не был фанатом суперсимметрии. Я хотел найти естественное описание фермионов. Вот что я вознамерился искать после защиты диссертации. Вот почему приехал на Мауи».

«Сперва я работал над старой теорией Калуцы – Клейна[82], – рассказывает Гарретт. – И она казалась мне красивой… Но фермионы мне никак не поддавались».

Вплоть до этого момента история Гарретта во многом схожа с моей. Я тоже начинала работать над теорией Калуцы – Клейна, заинтригованная ее привлекательностью, но разочарованная тем, как в ней обходились с фермионами. Однако, в отличие от Гарретта, я платила за аренду квартиры с трехгодичной аспирантской стипендии, а мои жизненные устремления были типичны для среднего класса, для центральноевропейской семьи, в которой я выросла: достойная работа, милый дом, один или два ребенка, уютная старость и изящная урна для праха. Может, квантованная гравитация где-то на пути. Но переезда на остров в планах точно не было.

Когда мой энтузиазм по поводу теории Калуцы – Клейна за два года никуда не делся, научный руководитель недвусмысленно предложил мне сменить тему на большие дополнительные измерения – оживление теории Калуцы – Клейна Аркани-Хамедом и его коллегами, которое как раз расцветало. Я подумала, что научный руководитель прав, и вот тут наши с Гарреттом дорожки разошлись. Я пополнила ряды специалистов по физике элементарных частиц, финансировала свою работу, добывая краткосрочные контракты и гранты, и на регулярной основе добросовестно производила статьи на приемлемые, актуальные темы. Гарретт же избрал менее заезженную тропу.

«Через шесть лет я полностью оставил все эти калуца-клейновские дела, – говорит Гарретт. – Я мог это сделать, поскольку у меня нет академической инертности, я ведь работал тут на Мауи один – ни студентов, ни грантов».

Гарретт начал все заново и взглянул на проблему уже под другим углом. Спустя годы усердной работы он был вознагражден прорывным открытием. Он обнаружил, что все известные частицы – включая как бозоны, так и фермионы – можно описать геометрически с помощью одной большой группы симметрии. И в отличие от традиционных теорий Великого объединения, его вариант содержит еще и гравитацию.

Для своей теории Гарретт использует симметрию наибольшей исключительной группы Ли – E₈. Группы Ли, названные в честь Софуса Ли (1842–1899), особенно симпатичны, потому что в них можно еще изучать геометрию, во многом так же, как в привычном пространстве, которое мы видим вокруг себя. Вот что искал Гарретт.

Групп Ли бесконечно много. Однако к концу XIX века все они были классифицированы Вильгельмом Киллингом (1847–1923) и Эли Картаном (1869–1951). Оказывается, большинство групп Ли попадает в одно из четырех семейств, в каждом из которых содержится бесконечное число членов. Группы симметрии SU(2) и SU(3) Стандартной модели, например, тоже являются группами Ли и, как видно по их названиям, довольно просты по структуре. И действительно, для любого натурального N существует простая группа Ли SU(N). Есть еще три подобных бесконечных семейства групп Ли, но нас с вами они сейчас не заботят. Важнее то, что помимо этих четырех семейств есть пять «исключительных» групп Ли – G2, F4, E6, E7 и самая большая E8. И можно доказать, что этими четырьмя семействами плюс пятью особыми группами исчерпываются все простые группы Ли, какие только существуют, и точка.

Чтобы прочувствовать, насколько это необычно, представьте, что вы зашли на веб-сайт, где можно заказать дверные таблички с номерами 1, 2, 3, 4 и так далее до бесконечности. А также вы можете заказать там эму, пустую бутылку и Эйфелеву башню. Вот насколько странно исключительные группы Ли смотрятся рядом с чинными бесконечными семействами.

«Я написал и опубликовал статью, и она привлекла к себе много внимания», – продолжает Гарретт, вспоминая резонанс в средствах массовой информации, вызванный его работой ¹⁴⁷.

На тот момент, признает он, его теория еще имела некоторые изъяны, например, в ней не вполне правильно описывались три поколения фермионов. Но то было в 2007-м. В последующие годы Гарретт разрешил часть остававшихся загадок. Однако его шедевр по-прежнему не окончен, он пока еще не полностью удовлетворяет требованиям своего создателя (рис. 13).

«Но я добился-таки естественного описания фермионов, – говорит Гарретт. – Так что в известной степени я выполнил то, что задумал делать после аспирантуры. И нашел эту большую группу Ли E₈, на что и не рассчитывал. Я и не замахивался на поиски симпатичненькой теории всего – это было бы чересчур самонадеянно даже для меня».

Рис. 13. Главная диаграмма E8, иллюстрирующая теорию всего, которую разработал Гарретт Лиси. Каждый символ – это элементарная частица. Разные символы обозначают разные типы частиц. Линии показывают, какие частицы связаны принципом тройственности. Нет, я тоже не знаю, что все это значит, но красиво ведь, правда? Изображение любезно предоставлено Гарреттом Лиси

«Что ж, это большая группа, – говорю я. – Так ли уж удивительно, что удается вместить в нее много всего? Даже слишком много всего – насколько я понимаю, вы получили еще и дополнительные частицы?»

«Да, около двадцати новых частиц, – соглашается Гарретт. Но поспешно добавляет: – Что не так много, как в теории суперсимметрии».

«Рискну предположить: они настолько массивны, эти ваши дополнительные частицы, что мы их не наблюдаем?»

«Да. Знаю, это типичная увертка теоретиков. Но действие[83] исключительно красиво. Напоминает действие для минимальной поверхности. Во многих отношениях это простейшее действие из возможных. Трудно представить, чтобы природа захотела его преобразовать».

«Откуда вы знаете, чего хочет природа?»

«Ну, таковы правила игры. Если вы намереваетесь найти теорию всего, ваш эстетический вкус – пожалуй, единственное, с чем вам нужно работать».

[82] Теория 1930-х годов с дополнительными пространственными измерениями, упоминавшаяся в первой главе.

[83] Действие – это математическое понятие, используемое специалистами по физике элементарных частиц, чтобы описать теорию.