Леонард Сасскинд, известный американский физик и один из создателей теории струн, в свое время предложил революционную концепцию понимания Вселенной и места человека в ней. Своими исследованиями Сасскинд вдохновил целую плеяду современных физиков, которые поверили, что эта теория сможет однозначно предсказать свойства нашей Вселенной. Теперь же в своей первой книге для широкого круга читателей Сасскинд уточняет и переосмысляет свои взгляды, утверждая, что данная идея отнюдь не универсальна и ей придется уступить место гораздо более широкому понятию гигантского «космического ландшафта».
Исследования начала XXI века позволили науке подняться на новую ступень в познании мира, утверждает Сасскинд. И эта увлекательная книга, переносящая читателя на передовую сражений в современной физике, — яркое тому подтверждение.
Элегантная суперсимметричная Вселенная?
Реальные принципы, лежащие в основе теории струн, окутаны большой тайной. Почти всё, что мы знаем о теории, включает в себя особую часть ландшафта, где математика удивительно упрощается благодаря свойству, называемому суперсимметрией. Суперсимметричные области ландшафта образуют идеально плоскую равнину, располагающуюся на высоте, в точности равной нулю, со свойствами, настолько симметричными, что многие вещи могут быть вычислены без информации обо всём ландшафте. Если кто-то искал простоту и элегантность, то плоская равнина суперсимметричной теории струн, известной также как теория суперструн, является именно тем местом, на которое им стоит обратить внимание. В самом деле, пару лет назад это место было единственным, на которое обращали внимание струнные теоретики. Но кое-кто из физиков уже стряхнул с себя чарующее наваждение и пытается избавиться от элегантных упрощений супермира. Причина проста: реальный мир не суперсимметричен.
Мир, содержащий Стандартную модель и малую ненулевую космологическую постоянную, не может находиться на плоскости нулевой высоты. Он лежит где-то в неровном районе Ландшафта с холмами, долинами, высокими плато и крутыми склонами. Но есть основания считать, что наша долина близка к суперсимметричной части Ландшафта и что какие-то остатки математического суперчуда могли бы помочь нам понять особенности эмпирического мира. Одним из примеров, который мы разберём в этом разделе, является масса бозона Хиггса. Фактически все открытия, благодаря которым появилась на свет эта книга, представляют собой первые робкие попытки отойти от безопасной суперсимметричной равнины.
Суперсимметрия говорит нам о различиях и сходствах бозонов и фермионов. Как многое другое в современной физике, принципы суперсимметрии прослеживаются вплоть до первых работ Эйнштейна. В 2005 год мы отметили столетие «anno mirabilis» — года чудес современной физики. Эйнштейн начал в этом году две революции и завершил третью. Безусловно, это был год специальной теории относительности. Но мало кто знает, что 1905 год был гораздо больше чем «годом относительности». Он также ознаменовал рождение фотонов, начало современной квантовой механики.
Эйнштейн получил только одну Нобелевскую премию по физике, хотя я думаю, что каждая Нобелевская премия, вручаемая после 1905 года, несла в себе отголоски открытий Эйнштейна. Нобелевская премия была присуждена Эйнштейну не за создание теории относительности, а за объяснение фотоэффекта. Именно теория фотоэффекта была наиболее радикальным вкладом Эйнштейна в физику, где он впервые ввёл понятие фотонов, квантов энергии, из которых состоит свет. Физика была уже готова разродиться специальной теорией относительности, её создание было лишь вопросом времени, в то время как фотонная теория света прогремела как гром среди ясного неба. Эйнштейн показал, что луч света, обычно представляемый как волновое явление, имеет дискретную структуру. Если свет имеет определённый цвет (длину волны), то все фотоны как бы маршируют в ногу: каждый фотон идентичен любому другому. Частицы, которые могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии, называются бозонами в честь индийского физика Шатьендраната Бозэ.
Почти двадцать лет спустя, завершая здание, заложенное Эйнштейном, Луи де Бройль покажет, что электроны, всегда воспринимаемые как частицы, ведут себя в то же самое время и как волны. Подобно волнам электроны способны отражаться, преломляться, дифрагировать и интерферировать. Но есть фундаментальное различие между электронами и фотонами: в отличие от фотонов два электрона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Принцип запрета Паули гарантирует, что каждый электрон в атоме имеет своё собственное квантовое состояние и что ни один другой электрон не может сунуть свой нос на уже занятое место. Даже вне атома два идентичных электрона не могут находиться в одном и том же месте или иметь один и тот же импульс. Частицы этого рода называются фермионами по имени итальянского физика Энрико Ферми, хотя по справедливости они должны называться паулионами. Из всех частиц Стандартной модели около половины являются фермионами (электроны, нейтрино и кварки), а другая половина представлена бозонами (фотоны, Z и W-бозоны, глюоны и бозон Хиггса).
Фермионы и бозоны играют разные роли в картине мира. Обычно мы представляем материю состоящей из атомов, то есть из электронов и ядер. В первом приближении ядра состоят из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами, но на более глубоком уровне протоны и нейтроны оказываются собранными из небольших строительных блоков — кварков. Все эти частицы — электроны, протоны, нейтроны и кварки — являются фермионами. Материя состоит из фермионов. Но без бозонов атомы, ядра, протоны и нейтроны просто развалятся. Эти бозоны, в первую очередь фотоны и глюоны, прыгая взад-вперёд между фермионами, создают силы притяжения, удерживающие всё вместе. Хотя фермионы и бозоны критически важны для того, чтобы мир был таким, каков он есть, они всегда считались «животными разной породы».
Но примерно в начале 1970-х вдохновлённые первыми успехами теории струн теоретики начали играться с новыми математическими идеями, согласно которым фермионы и бозоны на самом деле не настолько различны. Одна из идей состояла в том, что все частицы образуют идеальные пары идентичных близнецов, одинаковых во всех отношениях, за исключением того, что один из них является фермионом, а другой — бозоном. Это была совершенно дикая гипотеза. Её справедливость для реального мира означала бы, что физики умудрились каким-то образом потерять половину всех элементарных частиц, не сумев обнаружить их в своих лабораториях. Например, согласно этой гипотезе, должна существовать частица с точно такой же массой, зарядом и прочими свойствами, как у электрона, только являющаяся не фермионом, а бозоном. Как можно было не заметить такую частицу на ускорителях Стэнфорда или ЦЕРНа? Суперсимметрия предполагает существование у фотона безмассового нейтрального близнеца-фермиона, а также близнецов-бозонов у электронов и кварков. То есть гипотеза предсказывала целый мир таинственно пропавших без вести «противоположностей». На самом деле вся эта работа была лишь математической игрой, чисто теоретическими исследованиями нового вида симметрии — мира, которого нет, но который мог бы существовать.
Идентичных частиц-близнецов не существует. Физики не лажанулись и не проворонили целый параллельный мир. Какой же интерес в таком случае представляет эта математическая спекуляция и почему этот интерес вдруг усилился за последние 30 лет? Физиков всегда интересовали всевозможные математические симметрии, даже если единственный разумный вопрос, который можно было при этом задать: «Почему этой симметрии нет в природе?» Но и реальный мир, и его физическое описание полны разнообразных симметрий. Симметрия является одним из наиболее дальнобойных и мощных орудий в арсенале теоретической физики. Она пронизывает все разделы современной физики, и особенно те, которые связаны с квантовой механикой. Во многих случаях тип симметрии — это всё, что мы знаем о физической системе, но анализ симметрии является настолько мощным методом, что зачастую сообщает нам почти всё, что мы хотим знать. Симметрии нередко являются тем садом, в котором физики находят эстетическое удовлетворение от своих теорий. Но что такое симметрии?
Начнём со снежинки. Любой ребёнок знает, что не существует двух одинаковых снежинок, но вместе с тем все они имеют общую особенность, а именно симметрию. Симметрия снежинки сразу бросается в глаза. Если вы возьмёте снежинку и повернёте её на произвольный угол, то она будет выглядеть отличной от своего первоначального вида — повёрнутой. Но если повернуть снежинку ровно на 60°, то она совпадёт сама с собой. Физик мог бы сказать, что поворот снежинки на 60° является симметрией.
Симметрии связаны с операциями или преобразованиями, которые можно выполнять над системой, не влияя на результат эксперимента. В случае снежинки такой операцией является поворот на 60°. Вот ещё один пример: предположим, что мы ставим эксперимент, имеющий целью измерение ускорения свободного падения на поверхности Земли. Простейшим вариантом было бы уронить камень с известной высоты и измерить время его падения. Ответ: около 10 метров в секунду за секунду. Обратите внимание, что я не беспокоюсь о том, чтобы сообщить вам, где я уронил камень: в Калифорнии или в Калькутте. В очень хорошем приближении ответ будет одним и тем же в любом месте на поверхности Земли: результат эксперимента не изменится, если вы переместитесь со всем экспериментальным оборудованием с одного места земной поверхности на другое. На физическом жаргоне сдвиг или перемещение чего-либо из одной точки в другую называется трансляцией. Поэтому о гравитационном поле Земли мы можем сказать, что оно обладает «трансляционной симметрией». Конечно, некоторые побочные эффекты могут внести возмущения в результаты нашего эксперимента и испортить симметрию. Например, проведя эксперимент над очень большими и массивными месторождениями полезных ископаемых, мы получим немного большее значение, чем в других местах. В этом случае мы бы сказали, что симметрия является только приблизительной. Приблизительную симметрию называют также нарушенной симметрией. Наличие отдельных залежей тяжёлых минералов «нарушает трансляционную симметрию».
Может ли симметрия снежинки быть нарушенной? Без сомнения, некоторые снежинки несовершенны. Если снежинка формируется в неидеальных условиях, то одна её сторона может отличаться от другой. Она всё ещё будет иметь форму, близкую к шестиугольной, но этот шестиугольник будет несовершенным, то есть его симметрия будет нарушена.
В космическом пространстве, вдали от каких-либо возмущающих влияний, мы могли бы измерить гравитационную силу между двумя массами и получить ньютоновский закон всемирного тяготения. Независимо от того, где проведён эксперимент, мы, по идее, должны получить один и тот же ответ. Таким образом, ньютоновский закон всемирного тяготения обладает трансляционной инвариантностью.
Для измерения силы притяжения между двумя объектами необходимо расположить их на некотором расстоянии друг друга. Например, мы можем расположить два объекта так, что соединяющая их прямая будет параллельна оси x в некоторой заданной системе координат. С равным успехом мы можем расположить объекты на прямой, параллельной оси y. Будет ли измеряемая нами сила притяжения зависеть от направления прямой, соединяющей эти объекты? В принципе, да, но только если законы природы отличаются от тех, которые у нас есть. В природе же закон всемирного тяготения утверждает, что сила притяжения пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и она не зависит от ориентации одного объекта относительно другого. Независимость от направления называется вращательной симметрией. Трансляционная и вращательная симметрии являются важнейшими фундаментальными свойствами мира, в котором мы живём.
Посмотрите в зеркало. Ваше отражение как две капли воды похоже на вас. Зеркальное отражение ваших брюк ничем не отличается от самих брюк. Отражение левой перчатки в точности повторяет левую перчатку.
Стоп. Что-то тут не так. Давайте посмотрим ещё раз внимательно. Зеркальное отражение левой перчатки не во всём идентично левой перчатке. Оно идентично правой перчатке! А зеркальное отражение правой перчатки идентично левой перчатке.
Теперь присмотритесь внимательнее к собственному отражению. Это не вы. Родинка, которая у вас находится на левой щеке, у вашего отражения находится на правой. А если бы вы вскрыли собственную грудную клетку, то обнаружили бы, что сердце у вашего отражения находится не слева, как у всех нормальных людей, а справа. Давайте назовём зеркального человека — человек.
Предположим, что у нас есть футуристическая технология, позволяющая собрать любой объект, какой мы только захотим, из отдельных атомов. Построим с помощью этой технологии человека, чьё зеркальное изображение будет в точности повторять вас: сердце слева, веснушка слева и т. д. Тогда оригинал, который мы построим, будет представлять собой человек.
Будет ли человек нормально функционировать? Будет ли он дышать? Будет ли биться его сердце? Если дать ему конфету, будет ли он усваивать сахар, входящий в её состав? Ответы на большинство из этих вопросов утвердительные. В основном человек будет функционировать точно так же, как и человек. Но с его метаболизмом возникнут проблемы. Он не сможет усваивать обычный сахар. Причина состоит в том, что сахар существует в двух зеркальных формах, как правая и левая перчатки. Человек способен усваивать только одну из зеркальных форм сахара. А человек способен усваивать только сахар. Молекулы — сахар и сахар — отличаются друг от друга так же, как правая и левая перчатка. Химики называют обычные сахара, которые способен усваивать человек, D-изомерами (от латинского dextra — правый), а зеркальные им, которые способен усваивать только человек, — L-изомерами (от латинского lævum — левый).
Замена чего бы то ни было на его зеркальное отражение называется зеркальной симметрией, или чётностью. Последствия зеркального отражения, в принципе, очевидны, но давайте повторим ещё раз одну важную вещь: если всё в мире заменить на его зеркальное отражение, то поведение этого мира никоим образом не изменится и не будет отличаться от поведения нашего мира.
В действительности зеркальная симметрия не является точной. Она представляет собой хороший пример нарушенной симметрии. Что-то приводит к тому, что зеркальное отражение нейтрино оказывается во много раз тяжелее оригинала. Это относится и ко всем остальным частицам, хотя и в гораздо меньшей степени. Похоже на то, что великое мировое зеркало слегка кривое, оно немного искажает отражение. Но это искажение настолько незначительно, что практически не отражается на обычной материи. А вот в поведении высокоэнергетических частиц в зеркальном мире могут произойти весьма существенные изменения. Однако давайте до поры до времени делать вид, что зеркальная симметрия в природе является точной.
Что мы имеем в виду, когда говорим, что между частицами существует отношение симметрии? В двух словах, это означает, что у частицы каждого типа существует партнёр или близнец с очень похожими свойствами. Для зеркальной симметрии это означает, что если законы природы допускают существование левой перчатки, то возможно и существование правой. Установление факта существования D-глюкозы означает, что должна существовать и L-глюкоза. И если зеркальная симметрия не будет нарушена, то же самое должно касаться и всех элементарных частиц. У каждой частицы должен существовать близнец, идентичный ей с точностью до зеркального отражения. При зеркальном отражении человека каждая элементарная частица, составляющая его тело, заменяется её зеркальным близнецом.
Антивещество представляет собой ещё один вид симметрии, называемый симметрией зарядового сопряжения. Поскольку симметрия предполагает замену всего на его симметричный аналог, симметрия зарядового сопряжения предполагает замену каждой частицы её античастицей. Она меняет положительные электрические заряды, например протоны, на отрицательные, в данном случае антипротоны. Аналогично отрицательно заряженные электроны заменяются положительно заряженными позитронами. Атомы водорода заменяются атомами антиводорода, состоящими из позитронов и антипротонов. Подобные атомы действительно получены в лабораториях, правда, в очень небольшом количестве, недостаточном даже для того, чтобы построить из них антимолекулы. Но никто не сомневается в том, что антимолекулы возможны. Точно так же возможны и антилюди, но не забывайте, что кормить их придется антипищей. На самом деле лучше держать антилюдей и обычных людей подальше друг от друга. Когда вещество встречается с антивеществом, они взаимоуничтожаются, превращаясь в фотоны. Взрыв, который произойдёт, если вы случайно пожмёте руку античеловеку, будет посильнее взрыва водородной бомбы.
Как выяснилось, симметрия зарядового сопряжения также является слегка нарушенной. Но, как и в случае с зеркальной симметрией, эффект от этого нарушения оказывается совершенно незначительным, если не принимать в расчёт частицы очень высоких энергий. Теперь вернёмся к фермионам и бозонам. Исходная, самая первая теория струн, которую разработали мы с Намбу, называется теорией бозонных струн, потому что все описываемые ею частицы являются бозонами. Она не вполне подходит для описания адронов, ведь, в конце концов, протон — это фермион. Точно так же она не годится и на роль теории всего. Электроны, нейтрино, кварки — все являются фермионами. Но прошло совсем не много времени, и появилась новая версия теории струн, которая уже содержала не только бозоны, но и фермионы. И одним из замечательных математических свойств этой так называемой теории суперструн была суперсимметрия — симметрия между бозонами и фермионами, требующая, чтобы у каждого фермиона существовал близнец-бозон, обладающий точно такими же свойствами, и наоборот.
Суперсимметрия оказалась незаменимым и чрезвычайно мощным математическим инструментом для струнных теоретиков. Без него математика оказывается настолько сложной, что установить факт согласованности теории очень трудно. Почти все заслуживающие доверия теории, претендующие на описание реального мира, являются суперсимметричными. Но, как я уже подчеркнул, суперсимметрия в природе не является точной симметрией. В лучшем случае это довольно сильно нарушенная симметрия, напоминающая отражение мира в чрезвычайно кривом зеркале. До сих пор ни для одной из известных элементарных частиц не обнаружено суперпартнёра. Если бы в природе существовал бозон с такими же массой и зарядом, как у электрона, он бы уже давно был открыт. Тем не менее если вы откроете веб-браузер и поищете в интернете статьи по физике элементарных частиц, вы обнаружите, что начиная с середины 1970-х годов в подавляющем числе работ так или иначе используется суперсимметрия. Почему? Почему теоретики до сих пор не выбросили суперсимметрию в мусорную корзину вместе с теорией суперструн? Тому есть несколько причин.
Предмет, который когда-то назывался высокоэнергетической теоретической физикой элементарных частиц, давно уже разделился на две дисциплины: теоретическую и феноменологическую. Если вы введёте в адресной строке своего браузера URL http://arXiv.org, то попадёте на сайт, где физики публикуют препринты своих статей. Различные дисциплины подразделяются там на ядерную физику, физику конденсированных сред и т. д. Если вы перейдёте в раздел высокоэнергетической физики (hep), то найдёте там два отдельных архива: один (hep-ph) содержит феноменологические, а второй (hep-th) — теоретические и математические статьи. Заглянув в эти архивы, вы увидите, что раздел hep-ph содержит статьи по вопросам традиционной физики элементарных частиц, содержащие либо результаты проведённых, либо описание планируемых экспериментов. Обычно в этих статьях присутствует большое количество таблиц и графиков. В противоположность этому, в разделе hep-th присутствуют по большей части статьи по теории струн и гравитации. Они полны математических выкладок и имеют очень слабое отношение к экспериментам. Однако в последние годы границы между этими двумя дисциплинами всё сильнее размываются, что, на мой взгляд, является хорошим знаком.
Но в обоих разделах большинство статей так или иначе имеют отношение к суперсимметрии. У представителей каждого имеются на то собственные резоны. Для чистых теоретиков таким резоном является математика — использование суперсимметрии приводит к потрясающему упрощению математических выкладок и позволяет получать решение задач, разобраться с которыми другими методами было бы невероятно трудно. Помните, в главе 2 я говорил о том, что космологическая постоянная будет в точности равна нулю, если у всех частиц будут суперсимметричные партнёры? Это одно из математических чудес, появляющихся в суперсимметричных теориях. Мне не хотелось бы тут их описывать, но главное то, что суперсимметрия настолько упрощает расчёты в квантовой теории поля и теории струн, что теоретикам становятся доступны такие вещи, которые в противном случае они вряд ли смогли бы вывести. И пусть реальный мир не суперсимметричен, но суперсимметрия позволяет понять некоторые из существующих явлений, например чёрные дыры. Любая теория, включающая гравитацию, описывает и чёрные дыры. Они обладают парадоксальными и таинственными свойствами, о которых мы поговорим позже. Возможные варианты разрешения этих парадоксов слишком сложны для проверки в обычных теориях. И тут, словно по волшебству, существование суперпартнёров делает изучение чёрных дыр необычайно простым. Особенно ценно это упрощение для струнных теоретиков. Математика теории струн, как это сейчас принято, почти полностью полагается на суперсимметрию. Даже многие старые квантово-механические расчёты поведения кварков и глюонов существенно упрощаются при добавлении суперпартнёров. Суперсимметричный мир — это не реальный мир (по крайней мере, в нашей карманной Вселенной), но этот мир достаточно близок к нашему, чтобы извлечь из его изучения множество уроков относительно гравитации и физики элементарных частиц.
Хотя конечные цели «хепферов» и «хептеров» совпадают, текущие задачи феноменологов и струнных теоретиков различаются. Феноменологи используют старые методы теоретической физики и иногда новые идеи теории струн для описания Законов Физики в том плане, как они понимались на протяжении большей части XX века. Как правило, они не пытаются построить теорию, единственным подтверждением правильности которой была бы её математическая полнота. Не пытаются они и построить единую теорию. Суперсимметрия интересует их лишь как приближение к нарушенной симметрии природы для поиска чего-то, что может затем быть обнаружено в лабораторных экспериментах. Наиболее важным открытием для них было бы обнаружение отсутствующих суперпартнёров.
Как вы помните, нарушенная симметрия не является совершенной. В идеальном зеркале объект и его отражение полностью идентичны с точностью до замены правого на левое, но в кривом зеркале из комнаты смеха симметрия несовершенна. Такое отражение, возможно, годится лишь для того, чтобы опознать объект, но при этом оно является сильно искажённой копией. Изображение худого человека в таком зеркале может выглядеть как изображение толстяка, весящего в несколько раз больше, чем его худой двойник.
В аттракционе кривых зеркал, называемом нашей Вселенной, зеркало суперсимметрии вносит в отражение частиц огромные искажения, настолько огромные, что суперпартнёры обычных частиц выглядят в нём невероятными толстяками. Если они существуют, то должны быть во много раз тяжелее обычных частиц. До сих пор не обнаружено ни одного суперпартнёра: ни суперпартнёра электрона, ни суперпартнёра фотона, ни суперпартнёра кварка. Означает ли это, что их совсем не существует и что суперсимметрия — всего лишь бесполезная математическая игра? Возможно, что и так, но это также может означать, что искажение настолько велико, что суперпартнёры слишком тяжелы и энергии современных ускорителей частиц недостаточно для их обнаружения. Если по каким-то причинам массы суперпартнёров превышают несколько сотен масс протона, их действительно не удастся обнаружить, пока не будет построено следующее поколение ускорителей.
Все суперпартнёры имеют названия, похожие на названия их обычных близнецов. Эти названия нетрудно запомнить, если знать правило. Если обычная частица является бозоном, например фотоном или бозоном Хиггса, то название её суперпартнёра образуется добавлением суффикса «ино». Например, фотино, хигсино или глюино. Если же исходная частица является фермионом, то название суперпартнёра образуется добавлением приставки «с», например, сэлектрон, смюон, снейтрино, скварк и т. п. Это последнее правило породило самые уродливые названия, которые только можно встретить в физике.
В науке существует устоявшееся мнение, что новые открытия поджидают нас буквально «за углом». Если попытки обнаружить суперпартнёров в области нескольких сотен масс протона потерпят неудачу, оценки, скорее всего, будут пересмотрены и обнаружение суперчастиц будет отложено до постройки ускорителей, позволяющих генерировать частицы с массами в тысячу масс протона… или в десять тысяч масс протона. Не напоминает ли это попытки выдать желаемое за действительное? Я так не думаю. Суперсимметрия может оказаться ключом к загадке частиц Хиггса, и сама проблема, возможно, связана с Матерью всех физических проблем и с загадкой необъяснимой слабости гравитационного взаимодействия.
Та же самая квантовая дрожь, которая приводит к необъяснимо высокой энергии вакуума, может оказаться ответственной и за массы элементарных частиц. Предположим, что мы поместили частицу в дрожащий вакуум. Взаимодействуя с квантовыми флуктуациями, частица будет вносить возмущения в них в непосредственной близости от своего местоположения. Одни частицы будут гасить квантовые флуктуации, другие — усиливать их. Суммарным эффектом может стать изменение энергии этих флуктуаций. Эту дополнительную энергию, возникающую из-за присутствия частицы, можно интерпретировать как некую дополнительную массу (вспомните о E = mc2). Наиболее характерным примером является попытка рассчитать таким образом массу бозона Хиггса. При этом получается совершенно абсурдный результат, похожий на результат попытки оценить энергию вакуума. Вакуумная дрожь в окрестности бозона Хиггса приводит к добавке, имеющей порядок планковской массы!
Почему это нас так беспокоит? Хотя обычно теоретики фокусируются исключительно на бозоне Хиггса, описанная проблема относится ко всем элементарным частицам, за исключением фотона и гравитона. Любая частица, помещённая во флуктуирующий вакуум, приобретает ненормально большую массу. Но если все частицы увеличат свои массы, то всё вещество Вселенной станет во много раз тяжелее и гравитационные силы, действующие между телами, возрастут на много порядков. А мы помним, что даже незначительно увеличение гравитационной постоянной приведёт к полностью необитаемой Вселенной. Эту дилемму принято называть проблемой массы Хиггса, и она является ещё одной проблемой тонкой настройки Законов Физики, которую пытаются решить теоретики. Проблема массы Хиггса очень похожа на проблему малости космологической постоянной. Но какое отношение обе эти проблемы имеют к суперсимметрии?
Помните, как во второй главе я рассказывал о том, что фермионы и бозоны вносят противоположные вклады в энергию вакуумных флуктуаций и если бы их вклады удалось уравнять, это решило бы проблему энергии вакуума? Это верно и для нежелательных дополнительных масс частиц. В суперсимметричном мире огромный вклад квантовых флуктуаций можно приручить, оставив массы частиц невозмущёнными. Более того, даже нарушенная суперсимметрия могла бы облегчить проблему, если бы это нарушение было бы не слишком сильным. Это основная причина, по которой физики, изучающие элементарные частицы, надеются, что суперсимметрия ждёт их «за углом». Следует, однако, заметить, что нарушенная суперсимметрия всё равно не может объяснить столь невероятно малое значение космологической постоянной.
Проблема массы Хиггса похожа на проблему энергии вакуума ещё с одной стороны. Вайнберг показал, что жизнь не может существовать в мире со слишком большой энергией вакуума, и то же самое верно и для мира со слишком тяжёлыми элементарными частицами. Возможно, решение проблемы массы Хиггса лежит не в суперсимметрии, а в огромном разнообразии Ландшафта и антропной необходимости в небольшом значении этой массы. В течение нескольких лет мы сможем узнать, действительно ли суперсимметрия ждёт нас «за углом» или это мираж, который постоянно отступает при нашем приближении.
Один из вопросов, который неприлично задавать теоретикам, звучит так: «Если суперсимметрия настолько замечательна, элегантна и математически совершенна, почему мир не суперсимметричен? Почему мы не живём в столь элегантной Вселенной, которую струнные теоретики любят больше всего на свете?» Может ли причина заключаться в антропном принципе?
Наибольшая угроза для жизни в идеально суперсимметричной Вселенной исходит не со стороны космологии, а скорее со стороны химии. В суперсимметричной Вселенной каждый фермион имеет близнеца-бозона точно такой же массы — в этом и состоит проблема. Её виновниками являются суперпартнёры электрона и фотона. Эти две частицы, называемые сэлектроном (тьфу, язык сломаешь!) и фотино, вступают в тайный сговор с целью уничтожения всех обычных атомов.
Возьмём атом углерода. Химические свойства углерода в основном определяются его валентными электронами — наиболее слабо связанными электронами внешней оболочки. Но в суперсимметричном мире внешний электрон может излучать фотино и превратиться в сэлектрон. Безмассовый фотино улетает со скоростью света, оставляя сэлектрон заменять в атоме обычный электрон. А это большая проблема: сэлектрон, будучи бозоном, не подчиняется принципу запрета Паули и падает на самую низкую орбиту. За очень короткое время все электроны станут сэлектронами и окажутся на самой нижней орбите. До свидания, химические свойства углерода, прощайте, все прочие молекулы, необходимые для жизни! Суперсимметричный мир может быть очень элегантным, но он не способен поддерживать жизнь — по крайней мере, жизнь того типа, которую мы знаем.
Вернувшись на веб-сайт http://arXiv.org, вы найдёте там ещё два архива: General Relativity and Quantum Cosmology (Общая теория относительности и квантовая космология) и Astrophysics (Астрофизика). В статьях, публикуемых в этих разделах, суперсимметрия играет менее заметную роль. Почему космолог должен обращать какое-то внимание на суперсимметрию, если мир не является суперсимметричным? Ответом может служить переиначенная фраза Билла Клинтона: «Это Ландшафт, идиот!»1 Несмотря на то что симметрия может быть частично нарушена, в большей или меньшей степени, в нашей маленькой домашней долине, это не значит, что симметрия нарушается во всех уголках Ландшафта. Та часть ландшафта теории струн, которую мы лучше всего изучили, является регионом, где суперсимметрия точная и ненарушенная. Пространство, называемое суперсимметричным пространством модулей (или пространством супермодулей), представляет собой часть ландшафта, где каждый фермион имеет свой бозон и каждый бозон имеет собственный фермион. Как следствие, энергия вакуума строго равна нулю во всём пространстве супермодулей. Топографически это означает, что данная часть ландшафта представляет собой плоскую равнину, лежащую на нулевой высоте. Большая часть того, что мы знаем о теории струн, зиждется на нашем 35-летнем опыте изучения этой равнины. Разумеется, это также означает, что некоторые карманы Мегаверсума должны быть суперсимметричными. Но ни один суперструнный теоретик не смог бы насладиться жизнью в одном из этих карманов.
» Более подробно с книгой можно ознакомиться на сайте издательства
» Оглавление
» Отрывок
Для читателей данного блога скидка 20% по купону — Сасскинд
Автор: ph_piter
