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

Третья альтернатива заключается в том, чтобы сделать все элементарные частицы составными частицами. Эта идея была рассмотрена несколькими людьми в конце 1970х. Была попытка рассмотреть естественную вещь: Если протоны и нейтроны сделаны из кварков, то почему надо на этом останавливаться? Возможно, существует дальнейший уровень структуры, на котором кварки, электроны, нейтрино и, возможно, даже Хиггсовы и калибровочные бозоны окажутся сделанными из частиц, которые еще более фундаментальны и которые мы можем назвать преонами. Такие теории работают очень элегантно. Эксперимент к тому времени дал доказательство существования сорока пяти фундаментальных фермионов, и все они могли бы собираться воедино из комбинаций только двух видов преонов.

Более того, эти преонные модели объясняют некоторые свойства, наблюдаемые в природе, но не объясняемые в стандартной модели. Например, кварки имеют два свойства, – цвет и заряд, – которые кажутся не связанными друг с другом. Каждый вид кварка проявляется в трех версиях, именуемых цветами. Эта тройственность обеспечивает симметрию, необходимую для калибровочной теории. Но почему три цвета? Почему не два или четыре? Каждый кварк имеет также электрический заряд, и они складываются из единиц, которые равны 1/3 или 2/3 от заряда электрона. Число 3 возникает в каждом случае, что наводит на мысль,что эти два свойства, цвет и заряд, могли бы иметь общее происхождение. Ни стандартная модель, ни, насколько мне известно, теория струн не обращаются к этому совпадению, но оно очень просто объясняется преонной моделью.

К сожалению, были важные вопросы, на которые преонная теория была не в состоянии ответить. Приходилось иметь дело с неизвестными силами, которые должны были связывать преоны вместе в частицы, которые мы наблюдаем. Задача была удержать наблюдаемые частицы такими малыми, какие они есть, одновременно сохраняя их очень легкими. Поскольку преонные теоретики не смогли решить эту проблему, преонные модели к 1980 скончались. Недавно я разговаривал с хорошо известными физиками, которые получили свои степени доктора философии после этого и никогда даже не слышали о преонах.

Итак, обобщая, попытки сделать Хиггсов бозон составным были не убедительными. Со временем стало казаться, что мы, теоретики, растратили возможности выбора. Если Хиггсов бозон является элементарным, то как его свойства могут быть обузданы?

Одним из способов ограничить свободу частицы является связывание ее поведения с другой частицей, чье поведение заключено в некие пределы. Мы знаем, что калибровочные бозоны и фермионы защищены; их массы не ведут себя диким образом. Может ли здесь быть симметрия, которая связывает Хиггс с частицами, чья масса защищена? Если бы мы смогли сделать это, возможно, Хиггс был бы наконец укрощен. Единственная симметрия, известная, чтобы сделать это, есть суперсимметрия, поскольку суперсимметрия связывает фермионы с бозонами, поэтому в суперсимметричной теории будет фермион, являющийся партнером Хиггса, названный хиггсино. (В теории суперсимметрии есть соглашение, что названия суперпартнеров фермионов начинаются на "с", вроде сэлектрона, тогда как названия суперпартнеров бозонов оканчиваются на "ино".) Поскольку это фермион, масса хиггсино будет защищена от квантового прироста массы. Хорошо, суперсимметрия говорит нам, что два партнера имеют одинаковую массу. Тогда масса Хиггса должна быть тоже защищена.

Эта идея может хорошо объяснить, почему масса Хиггса мала по сравнению с планковской массой. Как указано, эта идея определенно элегантна – но на практике она усложняется.

Прежде всего, теория не может быть частично суперсимметричной. Если одна частица имеет суперпартнера, все остальные тоже должны. Таким образом, каждый кварк выступает с бозонным партнером, скварком. Фотон имеет партнером новый фермион, фотино. Взаимодействия тогда настраиваются так, что если все кварки заменить на скварки в то же самое время, как мы заменим все фотоны на фотино, вероятности различных возможных исходов опытов останутся неизменными.

Конечно, это простейшая возможность. Не могут ли две частицы, которые мы уже наблюдаем, быть партнерами? Возможно, фотон и нейтрино идут вместе? Или Хиггс и электрон? Открытие новых взаимосвязей среди уже известных частиц определенно было бы элегантным – и убедительным.

К сожалению, никто когда-либо успешно не постулировал суперсимметрию, содержащуюся между двумя известными частицами. Вместо этого, во всех суперсимметричных теориях число частиц, по меньшей мере, удваивается. Новый суперпартнер просто постулируется идущим вместе с каждой известной частицей. Там есть не только скварки, слептоны и фотино, там также имеются снейтрино как партнеры нейтрино, хиггсино как партнеры Хиггсов, гравитино, идущие с гравитонами. Каждой твари по паре, обычный Ноев ковчег частиц. Раньше или позже, запутавшись в паутине новых "сназваний" и "обозначино", вы начинаете чувствовать себя подобно клоуну "Сбозо". Или "клоунино" Бозо. (Клоун Бозо – главный персонаж одноименного детского телевизионного шоу, поставленного студией "Ларри Хармон Пикчерс" (США). – (прим. перев.)) Или "скем" бы то ни было еще.

К лучшему или к худшему, но природа не похожа на это. Как отмечалось, ни один эксперимент когда-либо не давал доказательств существования сэлектрона. До настоящего времени не показывались ни скварки, ни слептоны, ни снейтрино. Мир содержит гигантское количество фотонов (более миллиарда на каждый протон), но никто никогда не видел даже одного фотино.

Выходом из этого является постулат, что суперсимметрия спонтанно нарушена. Мы обсуждали в главе 4, как происходит спонтанное нарушение симметрии. Спонтанное нарушение может быть распространено и на суперсимметрию. Можно сконструировать теории, которые описывают миры, в которых силы суперсимметричны, но в которых их законы так искусно подогнаны, что низшее энергетическое состояние, – что означает, состояние, в котором симметрия пропадает, – не является суперсимметричным. В результате суперсимметричные партнеры частиц не обязаны иметь те же самые массы, которые имеют частицы.

Это делает теорию уродливой. Чтобы нарушить симметрию, мы добавляем еще больше частиц, аналогичных Хиггсу. Они также требуют суперпартнеров. Возникает еще больше свободных констант, которых можно подогнать, чтобы описать их свойства. Тогда все константы теории подгоняются так, что все эти новые частицы слишком тяжелы, чтобы быть наблюдаемыми.

Применяя это к стандартной модели физики элементарных частиц без дополнительных предположений, получаем новое хитроумное изобретение, именуемое минимальной суперсимметричной стандартной моделью, или МССМ. Как отмечалось в главе 1, оригинальная стандартная модель имеет около 20 свободных констант, которые мы подгоняем руками, чтобы получить предсказания, которые согласуются с экспериментом. МССМ добавляет еще 105 свободных констант. Теоретик свободен подогнать их всех, чтобы обеспечить согласие теории с экспериментом. Если эта теория верна, Бог является технологическим дегенератом. Он из тех парней или девушек, кому нравятся музыкальные системы, в которых так много исполнителей, как это возможно, или парусные шлюпки с 16 различными линями, чтобы регулировать форму каждого паруса.

Конечно, природа может быть похожа на это. Теория имеет потенциал, чтобы разрешить проблему точной настройки. Так что, что вы получаете, увеличив число настроек с 20 до 125, так это то, что ни одна из новых настроек не должна быть столь же точно подогнана, как старые настройки. С таким большим количеством настроек для подгонки теория все еще затруднительна для подтверждения или опровержения экспериментаторами.

Имеется много установок для настроек, для которых суперсимметрия нарушается и каждая частица имеет массу, отличную от массы ее суперпартнера. Чтобы скрыть отсутствие большей половины частиц, мы приспосабливаем настройки таким образом, чтобы все отсутствующие частицы в конечном счете оказались с намного большими массами, чем те, которые мы видим. Вам следует проделать это правильно, ибо если теория предсказывает, что скварки легче кварков, мы будем в неприятностях. Но не надо беспокоиться. Тут, оказывается, есть множество различных способов подгонки настроек, чтобы обеспечить, что все частицы, которых мы не видим, настолько тяжелы, что они к настоящему моменту не видимы.

Если тонкая настройка объяснена, тогда теория должна давать объяснение, почему Хиггсов бозон имеет большую массу, которую, мы думаем, он имеет. Как отмечалось, нет точных предсказаний для массы Хиггса даже в стандартной модели, но она должна быть больше, чем примерно 120 масс протона. Чтобы предсказать это, суперсимметричная теория должны быть так настроена, что на этом масштабе суперсимметрия восстанавливается. Это означает, что отсутствующие суперпартнеры должны иметь массы примерно в этом масштабе, а если так, LHC должен их увидеть.

Многие теоретики ожидают, что это именно то, что LHC увидит – множество новых частиц, которые могут быть интерпретированы как недостающие суперпартнеры. Если LHC это сделает, это, определенно, будет триумфом последних тридцати лет теоретической физики. Однако, я напоминаю вам, что тут нет ясных предсказаний. Даже если МССМ верна, имеется множество других путей настройки ее 125 параметров, чтобы согласовать ее с тем, что в настоящее время известно. Это приводит, по меньшей мере, к дюжине сильно различающихся сценариев, которые делают совершенно разные предсказания о том, что точно увидит LHC.

Но это заботы будущего. Предположим, что LHC произвел новые частицы. Установив, что теория суперсимметрии выступает во множестве различных сценариев, получаем, что даже если суперсимметрия не верна, возможно, что она все еще может быть подстроена, чтобы соответствовать первым наблюдениям LHC. Чтобы подтвердить суперсимметрию, требуется намного больше. Мы откроем множество новых частиц и объясним их. И они могут не все быть суперпартнерами частиц, о которых нам известно. Новые частицы могут быть суперпартнерами еще и других, все еще не видимых новых частиц.

Единственный безупречный путь доказать правильность суперсимметрии будет в демонстрации, что там на самом деле есть симметрия – что означает, что вероятности различных возможных результатов экспериментов не меняются (или меняются определенным, очень ограниченным образом), когда мы заменяем частицу на ее суперпартнера. Но это нечто, что будет нелегко выполнить на LHC, по крайней мере, в начале. Так что даже в лучшем случае пройдет еще весьма много лет, прежде чем мы узнаем, является ли суперсимметрия правильным объяснением для проблемы тонкой настройки.

Между тем, очень многие теоретики кажутся уверенными в суперсимметрии. И тут есть несколько хороших причин думать, что она является усовершенствованием старых идей по унификации. Во-первых, Хиггсов бозон, если он не точечный, не должен быть очень большим. Это благоприятствует суперсимметрии, хотя исключается некоторыми (если не всеми) теориями техниколора. Имеется также аргумент, который вытекает из идеи великого объединения. Как мы обсуждали ранее, эксперименты, проводимые на (энергетическом) масштабе унификации, не должны показать различие между электромагнитными и ядерными силами. Стандартная модель предсказывает этот вид объединяющего масштаба, но требует небольших подгонок. Суперсимметричная версия задает унификацию более непосредственно.

Суперсимметрия, определенно, является очень убедительной теоретической идеей. Идея унификации сил и вещества предлагает разрешение глубочайшей дуальности в фундаментальной физике. Не удивительно, что так много теоретиков не могут себе представить, что мир не суперсимметричен.

В то же время, некоторые физики озабочены, что суперсимметрия, если она есть, должна была бы уже быть видна в эксперименте. Вот достаточно типичная выдержка из введения к недавней статье: "Другая проблема возникает из того факта, что LEP II (большой электронно-позитронный ускоритель, также в ЦЕРНе) не открыл суперчастиц или Хиггсова бозона." Пол Фрэмптон, известный теоретик из Университета Северной Каролины, недавно написал мне:

"Одно общее наблюдение, которое я сделал за последние десять лет или больше, заключается в том, что большинство исследователей (имеется несколько исключений), работающие над феноменологией нарушения суперсимметрии на масштабе ТэВ, думают

что вероятность того, что суперсимметрия на масштабе ТэВ будет обнаружена в эксперименте, намного меньше 50 процентов, оценка 5 процентов является вполне типичной."

Мое собственное предположение о том, что заслуживает внимания, заключается в том (по меньшей мере, в изучавшейся до настоящего времени форме), что суперсимметрия не объяснит наблюдения на LHC. В любом случае суперсимметрия разрешима экспериментом, и, каковы бы ни были наши эстетические предпочтения, мы все будем заинтригованы получением ответа на вопрос, является ли она правильной картиной природы или нет.

Но даже если суперсимметрия будет обнаружена, она сама по себе не будет решением ни одной из пяти больших проблем, которые я перечислил в главе 1. Константы стандартной модели не будут объяснены, поскольку МССМ имеет намного больше свободных констант. Возможные выборы квантовой теории гравитации не будут сокращены, поскольку все ведущие теории совместимы с мирами, являющимися суперсимметричными. Может быть, что темная материя состоит из суперпартнеров, но нам потребуется подтвердить это непосредственно.

Причина этой большой недостаточности в том, что, хотя суперсимметричные теории имеют намного больше симметрии, они не проще. Фактически, они намного более сложны, чем теории с меньшей симметрией. Они не уменьшают количество свободных констант – они его решительно увеличивают. И они не способны объединить никакие две вещи, о которых мы уже знаем. Суперсимметрия была бы абсолютно убедительна, – как убедительно маквселловское объединение электричества и магнетизма, – если бы она открыла глубокую общность между двумя известными вещами. Скажем, если фотон и электрон оказались бы суперпартнерами или даже нейтрино и Хиггс, это было бы фантастикой.

Но это не то, что делает любая из суперсимметричных теорий. Вместо этого они постулируют целый новый набор частиц и делают каждую частицу симметричной либо с известной частицей, либо с другой неизвестной частицей. Этот вид теоретического достижения далеко не слишком прост. Придумать целый новый мир неизвестного, а затем сделать теорию с многими параметрами – параметрами, которые могут быть подогнаны, чтобы скрыть всю новую материю, – это не очень впечатляет, даже если технически побуждает справиться с задачей. Это вид теоретизирования, который не может потерпеть неудачу, поскольку любое расхождение с существующими данными можно устранить тонкой настройкой некоторых констант. Он может рухнуть только тогда, когда столкнется с экспериментом. Конечно, ничто из этого не означает, что суперсимметрия не реальна. Она может существовать, и, если это так, есть шанс, что она будет открыта в следующие несколько лет на LHC. Но факт, что суперсимметрия не делает всего того, чего мы ожидали, наводит на мысль, что ее сторонники высиживают выход из положения на ветке далеко от прочного ствола эмпирической науки. Возможно, что стоит поискать место для сверления там, где, как говорил Эйнштейн, дерево более тонкое.

6. Квантовая гравитация: развилка на дороге

В то время, как большинство физиков игнорировали гравитацию, несколько отважных личностей в 1930х начали думать о примирении ее с быстро развивающейся квантовой механикой. В течение более полстолетия в области квантовой гравитации работало не более горстки первопроходцев и несколько человек уделяли ей некоторое внимание. Но проблема квантовой гравитации не могла быть проигнорирована навсегда. Из пяти вопросов, которые я описывал в первой главе, это первый, который не мог быть отпущен нерешенным. В отличие от остальных, поиски решения этого вопроса нужно рассматривать не менее, чем поиски языка, на котором записаны законы природы. Пытаться решить любую из оставшихся проблем, не решив эту, все равно, что пытаться обсуждать условия контракта в стране, где нет закона.