Неприятности с физикой: Взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Из больших идей, которые были придуманы и изучены за эти годы, одна, которая получила наибольшее внимание, называется суперсимметрией. Если она верна, она станет столь же фундаментальной частью нашего понимания природы, как теория относительности и калибровочный принцип.

Мы видели, что большие унификации находят скрытые взаимосвязи между аспектами природы, которые раньше мыслились различными. Пространство и время исходно были очень разными концепциями; СТО их объединила. Геометрия и гравитация были некогда совсем не связанными; ОТО их объедиила. Но все еще есть два больших класса вещей, которые составляют населяемый нами мир: частицы (кварки, электроны и т. д.), которые составляют вещество, и силы (или поля), с помощью которых они взаимодействуют.

Калибровочный принцип объединил три силы. Но мы все еще остаемся с этими двумя различными сущностями: частицами и полями. Их унификация была целью двух предыдущих попыток, теории эфира и единой теории поля, и каждая провалилась. Суперсимметрия является третьей попыткой.

Квантовая теория говорит, что частицы являются волнами и волны являются частицами, но это на самом деле не приводит к объединению частиц с силами. Причина в том, что в квантовой теории остаются два широких класса элементарных объектов. Они называются фермионами и бозонами.

Все частицы, которые составляют вещество, такие как электроны, протоны и нейтрино, являются фермионами. Все силы состоят из бозонов. Фотон является бозоном, и такими же являются частицы, вроде W и Z частиц, связанные с другими калибровочными полями. Частица Хиггса также бозон. Суперсимметрия предлагает способ объединить эти два больших класса частиц, бозоны и фермионы. И она делает это очень творческим способом, предположив, что каждая известная частица имеет до этого не виданного суперпартнера.

Грубо говоря, суперсимметрия является процессом, при котором вы можете заменить один из фермионов на бозон в некотором эксперименте без изменения вероятностей различных возможных исходов. Это сложно сделать, поскольку фермионы и бозоны имеют очень разные свойства. Фермионы подчиняются принципу запрета (или исключения), найденному Вольфгангом Паули в 1925, который говорит, что два фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. По этой причине все электроны в атоме не сидят на низшей орбитали; раз уж один электрон находится на отдельной орбите или в квантовом состоянии, вы не можете поместить другой электрон в то же состояние. Принцип запрета Паули объясняет многие свойства атомов и материалов. Бозоны, однако, ведут себя противоположным образом: Они любят делить состояния. Когда вы помещаете фотон в определенное квантовое состояние, вы делаете более вероятным, что другой фотон найдет свой путь в это же самое состояние. Это влечение объясняет многие свойства полей, подобных электромагнитному полю.

Так что сначала кажется сумасшедшим, что вы могли бы придумать теорию, в которой вы могли бы заменить бозон на фермион и все еще получить стабильный мир. Но правдоподобно это или нет, четверо русских нашли, что они могли бы записать последовательную теорию именно с такой симметрией, которую мы сегодня называем суперсимметрией. Это были Евгений Лихтман и Юрий Гольфанд в 1971 и Владимир Акулов и Дмитрий Волков в 1972.

В те дни ученые на Западе были явно лишены контактов с учеными в Советском Союзе. Советским ученым только изредка позволялось путешествовать, и им чинились препятствия в публикациях в несоветских журналах. Большинство западных физиков не читали переводы советских журналов, так что в Советском Союзе было несколько открытий, которые не были приняты во внимание на Западе. Открытие суперсимметрии было одним из них.

Так суперсимметричные теории были придуманы еще дважды. В 1973 некоторые их разновидности были открыты двумя европейскими физиками, Джулиусом Вессом и Бруно Зумино. В отличие от русских, их труд был замечен и идеи были быстро развиты. Одна из их новых теорий заключалась в расширении электромагнетизма, в котором фотон объединялся с частицей, весьма похожей на нейтрино. Другое открытие суперсимметрии связано с теорией струн, и мы рассмотрим его детально позже.

Может ли суперсимметрия быть верной? Нет в своей исходной форме, которая постулировала, что для каждого фермиона имеется бозон с той же самой массой и зарядом. Это означает, что должет быть бозон с той же самой массой и зарядом, что и у электрона. Эта частица, существуй она, должна была бы называться сэлектроном или суперэлектроном. Но, если бы она существовала, мы должны были бы уже видеть ее на ускорителях.

Эта проблема, однако, может быть урегулирована через применение идеи спонтанного нарушения симметрии к суперсимметрии. Результат простой. Сэлектрон приобретает большую массу, так что он становится намного тяжелее электрона. Подгоняя свободные константы теории – которых оказывается имеется много – вы можете сделать сэлектрон столь тяжелым, как вам нравится. Но имеется верхний предел того, насколько массивную частицу может произвести любой данный ускоритель частиц. Таким образом, вы можете объяснить, почему сэлектрон еще не был виден ни на одном из существующих ускорителей частиц.

Заметим, что эта история имеет сходные повороты с другими, которые мы описывали. Кто-то постулирует новую унификацию. Имеются большие следствия для эксперимента. К сожалению, эксперимент не соответствует. Тогда ученые усложняют теорию способом, который привлекает несколько подгоночныех констант. Наконец, они подгоняют эти константы, чтобы скрыть ошибочное предсказанное явление, таким образом объясняя, почему унификация, если она верна, не видна ни в одном из наблюдений. Но такое маневрирование делает теорию трудной для фальсификации, поскольку вы всегда можете немедленно объяснить любой отрицательный результат подгонкой констант.

История суперсимметрии является одной из тех, в который с самого начала игра заключалась в сокрытии последствий унификации. Это не означает, что суперсимметрия не имеет силу, но она должна объяснить, почему даже после трех десятилетий интенсивного развития все еще нет недвусмысленных проверяемых предсказаний.

Я могу только представить, как себя чувствуют Весс, Зумино и Акулов (только один из их русских коллег все еще жив). Они могли сделать самое важное открытие своего поколения. Или они могли просто придумать теоретическую игрушку, которая не имеет ничего общего с природой. До сих пор нет подтверждения ни одного из вариантов. В последние тридцать лет первая вещь, которая делалась на любом новом ускорителе элементарных частиц, как только он запускался, был поиск частиц, которые предсказывает суперсимметрия. Ничего не было найдено. Константы просто подгонялись вверх, и мы опять ждем следующего эксперимента.

Сегодня это означает обращение взоров на Большой Адронный Коллайдер (или LHC – Large Hadron Collider), в настоящее время конструирующийся в ЦЕРНе. Если все пойдет по плану, он должен заработать в 2007. Среди физиков, занимающихся частицами, есть великая надежда, что эта машина освободит нас от кризиса. Прежде всего, мы ожидаем LHC, чтобы увидеть частицу Хиггса, массивный бозон, отвечающий за перенос Хиггсова поля. Если этого не произойдет, мы будем в больших неприятностях.

Но идея с самой высокой ставкой есть суперсимметрия. Если LHC увидит суперсимметрию, определенно будет Нобелевская премия для ее изобретателей. Если нет, это будут дурацкие колпаки – не для тех, для кого нет позора в изобретении нового вида теории, но для всех тех из моего поколения, кто потратил свои карьеры на распространение этой теории.

Так много надежд возлагается на LHC потому, что то, что он найдет, скажет нам очень много об одной из пяти ключевых проблем, отмеченных в главе 1: как объяснить величины свободных констант в стандартной модели. Чтобы увидеть, почему, нам необходимо понять одно очень замечательное свойство этих величин, заключающееся в том, что они или очень велики или очень малы. Один из примеров – дико отличающиеся величины сил. Электрическое отталкивание между двумя протонами сильнее их гравитационного притяжения на гигантский фактор, около 10³⁸. Имеется также гигантская разница в массах частиц. Например, масса электрона составляет 1/1800 массы протона. А бозон Хиггса, если он существует, имеет массу, по меньшей мере, в 120 раз большую, чем протон.

Способом обобщения данных является замечание, что физика частиц кажется скорее иерархической, чем демократической. Четыре силы разбросаны в широком диапазоне величин, формируя иерархию от сильных к слабым, если двигаться от ядерной физики к гравитации. Различные массы в физике также формируют иерархию. На вершине находится планковская масса, которая соответствует энергии (напомним, что масса и энергия на самом деле одна и та же вещь), при которой станут важными эффекты квантовой гравитации. Возможно, в тысячу раз легче планковской массы находится масштаб, при котором должна проявится разница между электромагнетизмом и ядерными силами. Эксперименты проводимые при этой энергии, которая называется масштабом унификации, будут видеть не три силы, а одну единственную силу. Снижаясь дальше по иерархии до 10–16 от планковского месштаба, получаем ТэВ (тера электрон-вольт или 10¹² электрон-вольт), энергию, при которой имеет место объединение слабых и электромагнитных сил. Этот масштаб называется масштабом слабого взаимодействия. Это область, в которой мы должны видеть Хиггсов бозон, а также здесь многие теоретики ожидают увидеть суперсимметрию. LHC строится, чтобы исследовать физику именно на этом масштабе. Масса протона составляет 1/1000 от этой величины, снижение еще на фактор 1/1000 приводит нас к электрону, и, возможно, 1/1 000 000 от этой величины составляет масса нейтрино. Далее по пути вниз на дно находится вакуумная энергия, которая существует в пространстве даже в отсутствие вещества.

Все это составляет красивую, но загадочную картину. Почему природа столь иерархична? Почему разница между величинами сильнейшей и слабейшей из сил столь гигантская? Почему массы протонов и электронов так незначительны по сравнению с планковской массой или масштабом унификации? Эта проблема в целом обозначается как проблема иерархии, и мы надеемся, что LHC прольет свет на нее.

Так что мы точно должны увидеть на LHC? Это был центральный вопрос физики частиц со времени триумфа стандартной модели в начале 1970х. Теоретики имели тридцать лет для подготовки ко дню запуска LHC в эксплуатацию. Мы готовы? Со смущением констатируем, что ответ: нет.

Если бы мы были готовы, мы имели бы неотразимые теоретические предсказания того, что увидит LHC, и мы просто ожидали бы подтверждения. Фиксируя все, что мы знаем о физике частиц, стоит удивиться, что тысячи умнейших людей планеты оказались не способны достичь неоспоримых предположений о том, что обнаружит следующий великий экспериментальный скачок. Но, за исключением надежды, что будет обнаружен Хиггсов бозон, мы не имеем ясных недвусмысленных предсказаний.

Вы можете подумать, что в отсутствие консенсуса могли бы быть, по меньшей мере, несколько соперничающих теорий, делающих такие предсказания. Но реальность намного неприятнее. Мы имеем на столе несколько различных предложений по унификации. Все они потенциально до некоторой степени работают, но ни одна не проявляется как однозначно более простая или более способная к предсказаниям, чем другие. Ни одна еще не имеет печати истины. Чтобы объяснить, почему тридцати лет не хватило, чтобы привести наш теоретический дом в порядок, мы должны более близко взглянуть на проблему иерархии. Почему имеется такой гигантский разброс масс и других констант?

Проблема иерархии содержит два вызова. Первый заключается в определении, что устанавливает константы, что делает их отношения большими. Второй заключается в том, как они установились на данном уровне. Эта стабильность удивительна, поскольку квантовая механика имеет странную тенденцию сталкивать все массы вместе в направлении величины планковской массы. Нам здесь не нужно анализировать, почему так, но результат таков, как если бы некоторые действия, которые мы используем, чтобы уменьшить константы, были связаны резиновыми лентами, которые неизменно натягиваются.

Как следствие, мы можем удержать большие отношения констант в стандартной модели, но чтобы сделать это, нам надо точно подобрать константы. Чем больше отношение реальных масс мы хотим иметь, тем более точно мы, теоретики, должны приспособить внутренние массы (массы в отсутствие квантовых эффектов), чтобы удержать их в отдалении. Причем, насколько точно, зависит от видов задействованных частиц.

Массы калибровочных бозонов не являются большой проблемой; симметрия, по существу, предотвращает выталкивание их масс (к большим значениям) резиновыми лентами. И как до, так и после принятия во внимание квантовых эффектов фотон, который является бозоном-переносчиком электромагнитного поля, совсем не имеет массы, так что тут тоже нет проблемы. Также ведут себя составляющие вещества, кварки и лептоны; части их масс, которые происходят от квантовых эффектов, пропорциональны их внутренним массам. Если внутренние массы малы, таковы будут и полные массы. Мы говорим, следовательно, что массы калибровочных бозонов и фермионов защищены.

Проблема связана с незащищенными частицами, под которыми в стандартной модели понимается Хиггс и только Хиггс. Оказывается, что, чтобы защитить массу Хиггса от выталкивания к планковской массе, мы должны настроить константы стандартной модели до ошеломляющей точности: до тридцать второго знака после запятой. Любая неточность в любом месте из этих тридцати двух десятичных разрядов – и Хиггсов бозон окажется намного тяжелее, чем он, как предсказывалось, должен быть.

Задача тогда заключается в укрощении Хиггса – чтобы привести его вниз к тому масштабу, как сказано. Многие из значительных идей, которые физики, занимающиеся частицами, рассматривали с 1975 года, имели целью именно это.

Одним из способов укрощения Хиггса является предположение, что он не является полностью элементарной частицей. Если он сделан из частиц, которые ведут себя менее диким образом, проблема могла бы быть устранена. Имеется несколько предположений, из чего мог бы быть сделан Хиггсов бозон. Самая элегантная и редкая теория предлагает гипотезу, что Хиггсовы бозоны являются связанными состояниями очень тяжелых кварков или лептонов. Не добавляется совсем ничего нового – ни новых частиц, ни новых параметров для настройки. Теория только постулирует, что тяжелые частицы связываются вместе новым способом. Единственной проблемой в этом виде теорий является то, что тяжело проделать вычисления, требуемые для ее проверки и выработки следствий. Это находилось за пределами возможностей нашей технологии, когда это было впервые предложено в 1960, и все еще остается за их пределами.

Следующая из самых элегантных гипотез заключается в том, что Хиггсов бозон сделан из нового вида кварков, отличающихся от тех, из которых построены протоны и нейтроны. Поскольку это вначале казалось "техническим" решением проблемы, это было названо техникварками. Они связаны вместе новым видом силы, сходной с сильным ядерным взаимодействием, которое связывает кварки в протоны и нейтроны. Поскольку силу в квантовой хромодинамике временами называют "цветом", новая сила названа, конечно, техниколор.

Эта идея больше поддается вычислениям. Проблема в том, что тяжело согласовать эту теорию со всеми аспектами наблюдений. Но это не невозможно, поскольку тут имеется много вариантов. Большинство были исключены, несколько остались жизнеспособными.