Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса - Дэйв Голдберг

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.

Когда химики экспериментируют с молекулами, то почти всегда игнорируют атомную природу вещества. Когда физики-атомщики работают с атомами, то почти всегда пренебрегают взаимодействием кварков. Тут легко представить себе психолога, который не обращает внимания на тонкости биохимических реакций в мозге. И хотя, конечно, правда, что достаточно полное знание о мозге может сказать нам что-то полезное о поведении, непохоже, чтобы психолог не был способен делать верные выводы безо всех этих мелких подробностей.

Измерить чистую массу бозона Хиггса мы не можем, однако все же странно, что его измеряемая масса оказалась настолько мала, что мы можем ее зарегистрировать. Как же получается, что экранировка оказывается такой точной? А ведь подобная тонкая настройка встречается в физике то и дело. Для такого идеального соответствия должна быть какая-то причина получше, чем «так уж вышло».

В число самых удачных попыток все объяснить входит так называемая суперсимметрия (для друзей — просто Сьюзи, SUSY). Теории великого объединения объединяют все фермионы (частицы вещества) в одну частицу, а бозоны, в сущности, в одну силу, однако суперсимметрия идет еще дальше. С точки зрения суперсимметрии даже бозоны и фермионы — всего лишь две стороны одной медали. У каждого бозона должен быть свой фермион и наоборот. Это сложнее, чем кажется на первый взгляд, как мы уже видели, когда рассказывали про теорию E8. Ведь на самом деле фермионы и бозоны совсем разные.

Мало того: по крайней мере в стандартной модели фермионов и бозонов не поровну. Если учесть все сочетания спина и цвета, существует 28 разных бозонов и 90 фермионов. Ничего страшного. Самый простой выход из положения — придумать побольше гипотетических частиц. У каждой частицы должен быть партнер противоположного типа. Электрон — это фермион. По другую сторону находится бозон под названием селектрон. Фотон — это бозон. Его партнер-фермион называется фотино, и т. д.[113].

Я отдаю себе отчет в том, что идея «взять и придумать кучу новых частиц» представляется (1) слишком простой — до нее вполне можно додуматься безо всякого научного образования — и (2) совершенно идиотской: поневоле засомневаешься, приведет ли она к каким бы то ни было достижениям. Однако прислушайтесь к моим словам. Во-первых, решения из соображений симметрии — в данном случае симметрии между фермионами и бозонами — играют в физике очень важную роль. Например, суть слабого и электромагнитного взаимодействия стала нам ясна только благодаря тому, что мы предположили, что электрон и нейтрино (так же, как и верхний и нижний кварки) — это на самом деле разные аспекты одной и той же фундаментальной частицы. Именно эта симметрия в конечном итоге и легла в основу нашего понимания поля Хиггса.

Но если у каждой частицы есть партнер, не странно ли, что мы их ни разу не видели?

Возможно.

У всех суперсимметричных моделей есть общая черта: суперсимметричные партнеры частиц должны быть в сотни, а то и в тысячи раз крупнее знакомых нам «оригиналов». Между тем, как вам уже известно, очень массивные частицы живут недолго.

Не исключено, что существует целый класс состояния частиц под названием «нейтралино», электрически нейтральных, как вы, должно быть, и сами догадались. А следовательно, даже если нам удастся создать их в ускорителе, зарегистрировать их непосредственно будет очень и очень трудно. В сущности, нам пришлось бы высматривать пары «электрон-позитрон» и «мюон-антимюон» с огромным количеством недостающей энергии. И недостающая энергия и означала бы, что из детектора частиц, словно тать в нощи, ускользнуло нейтралино.

Должен предупредить, что результаты первых экспериментов на Большом адронном коллайдере, как и других экспериментов, призванных прямо зарегистрировать суперсимметричные частицы, не кажутся многообещающими. Различных моделей суперсимметрии насчитывается немало, однако многие из них оказываются в рамках так называемой Минимальной суперсимметричной стандартной модели (МССМ), большинство версий которой предполагают, что если бы суперсимметрия существовала, мы бы ее уже обнаружили. Мы еще не успели обследовать лишь очень небольшой диапазон масс, где могут прятаться суперсимметричные частицы, хотя, по правде говоря, частицы вечно прячутся там, где их никак не ожидаешь обнаружить. Примерно так же было у нас с бозоном Хиггса.

Будет очень жалко, если окажется, что гипотеза о суперсимметрии неверна, потому что она могла бы подсказать нам решения множества серьезных задач. Например, самая легкая суперсимметричная частица-партнер (вероятно, самое легкое нейтралино) все равно должна быть довольно массивной, но при этом сохранять способность незаметно влетать в ускорители и вылетать из них.

Гм. Весьма многочисленные и массивные частицы, остающиеся стабильными, поскольку им не на что распадаться? Очень похоже на темное вещество. Вот бы суперсимметрия и вправду существовала!

Если вы еще не догадались, отмечу, что лично я всей душой надеюсь, что суперсимметрия себя оправдает, однако та часть моего мозга, которая осведомлена о результатах экспериментов, предупреждает, что рассчитывать тут особенно не на что.

Даже если суперсимметрия — это реальность нашей вселенной, она наверняка нарушается, по крайней мере чуть-чуть. Если бы она сохранялась идеальной, все партнеры обладали бы той же массой, что и оригиналы. А если бы это было так, мы бы давным-давно их обнаружили.

И последнее. Суперсимметрию часто связывают с теорией струн, в частности, говорят о суперструнах, по той простой причине, что теория струн со своей кучей дополнительных измерений требует суперсимметрии как части модели. Обратное неверно. Суперсимметрия вполне может существовать и вне теории струн.

За пределами симметрии

Представьте себе бесконечные ряды совершенно одинаковых вертящихся волчков.

Волчки и нарушение симметрии

Разумеется, рано или поздно один из волчков накренится в сторону соседа. Какой это будет волчок и в какую сторону он наклонится, определяется только случаем, однако стоит волчку наклониться, и симметрия нарушится навсегда. Более того, когда волчки падают, то порядок и направление их падений гораздо сложнее, чем можно было бы предположить исходя из простоты системы. Если у нас хватит терпения подхватывать волчки и снова их раскручивать, можно проигрывать этот сценарий снова и снова, и каждый раз волчки будут падать по-своему. Если мы просто представим себе, что рисунок падения волчков подобен эволюции физики на ранних стадиях существования вселенной, то почти что сможем исследовать разные области множественной вселенной.

Когда все начинается, волчки организованы симметрично, однако в конце среди них царит полный беспорядок. Вот и во вселенной то же самое.

Наш разговор о вселенной начался в мире абстракций — мы говорили о кругах, многогранниках и тому подобном. И не только потому, что можно было заодно нарисовать много красивых картинок: похоже, законы природы написаны симметрично. Но даже если все в природе начинается с симметрии, кончается все совсем иначе. Получается, что симметрия почему-то не может быть концом всего, так не бывает.

Все наши представления об устройстве вселенной основаны на взаимодействии между симметрией и случайностью, и, положа руку на сердце, мы еще не вполне разобрались, где кончается одно и начинается другое. Случайность, а по сути дела, хаос, зачастую становится характерной чертой отрицательного героя, а герой, стремящийся к порядку, то есть к симметрии, считается положительным. Это вопиющая несправедливость.

Хотя я не хочу показаться чересчур ранимым и обидчивым, в философских системах, которые охватывают и инь, и ян, есть зерно истины.

Законы вселенной симметричны, однако стоит нам ввести демона случайности, как результаты действия этих законов — та вселенная, которую мы наблюдаем вокруг, — скорее всего, вовсе не покажутся нам симметричными. Случайность — основа квантово-механической вселенной. Первоначальная конфигурация может быть одной и той же, но если проводить эксперимент снова и снова, результаты получатся разные — и иногда эти различия очень глубоки. Мы убеждались в этом раз за разом — от ухабистой структуры крупномасштабной вселенной до нарушения симметрии в поле Хиггса.