Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик
Шрифт:
Теоретическая физика – это продвинутая, хорошо развитая область. Теории, с которыми мы сегодня работаем, выдержали великое множество экспериментальных проверок. И всякий раз, как они с честью проходили очередное испытание, становилось чуть сложнее что-либо в них улучшить. Новая теория должна обеспечивать успех всех действующих теорий да еще и быть немножко лучше.
Пока физики разрабатывали теории, чтобы объяснять результаты существующих или намечающихся экспериментов, успех означал получение правильных чисел при наименьшей затрате усилий. Но чем больше наблюдений наши теории могли объяснить, тем труднее становилось проверить предполагаемое усовершенствование. Прошло двадцать пять лет между предсказанием и обнаружением нейтрино, понадобилось почти пятьдесят лет, чтобы засвидетельствовать
В нашем поиске новых идей красота играет много ролей. Она ориентир, награда, стимул. И она же – систематическая ошибка.
Невидимые друзья
Грузчики вынесли мои коробки, большую часть которых я так и не удосужилась открыть, зная, что здесь не останусь. Эхо прошлых переездов гуляет по пустым комнатам. Я звоню моему другу и коллеге Михаэлю Кремеру, профессору физики в Ахене (Германия).
Михаэль работает над суперсимметрией, или, если короче, над SUSY. SUSY предсказывает существование большого количества еще не обнаруженных элементарных частиц: партнеров каждой из уже известных частиц плюс еще нескольких. Среди предложенных новых законов природы SUSY на сегодняшний день самая популярная. Тысячи моих коллег посвящают ей свои карьеры. Но пока ни одной из тех дополнительных частиц не видать.
«Думаю, я начал работать над SUSY потому, что именно над ней люди работали в те времена, когда я был студентом, в середине и конце девяностых», – говорит Михаэль.
Математика SUSY очень похожа на математику уже доказанных теорий, и стандартная программа обучения физике хорошо подготавливает студентов для работы над SUSY. «Четко сформулированный подход, было легко», – объясняет Михаэль. Выбор оказался неплохим. Михаэль получил постоянную должность в 2004 году и сейчас руководит исследовательской группой «Новая физика» на Большом адронном коллайдере, которая финансируется Немецким научно-исследовательским обществом.
«А еще я люблю симметрии, что и сделало для меня SUSY заманчивой».
Как я уже упоминала, в своем стремлении понять, из чего сделан мир, мы обнаружили двадцать пять разных элементарных частиц. Суперсимметрия дополняет эту коллекцию набором пока не открытых частиц-партнеров, по одной на каждую из известных, и несколькими еще. Такое суперсимметричное довершение привлекательно, поскольку известные частицы делятся на два типа – фермионы и бозоны (названные так в честь Энрико Ферми и Сатиендры Бозе соответственно), – а суперсимметрия объясняет, как эти два типа частиц составляют одно целое.
Фермионы – страшные индивидуалисты. Как бы вы ни старались, вам не удастся добиться того, чтобы два фермиона делали одно и то же в одном и том же месте, – между ними всегда должно быть различие. Бозоны же не стеснены подобным ограничением и охотно присоединяются друг к другу в общем танце. Вот почему электроны, будучи фермионами, сидят на разных оболочках вокруг атомного ядра. Будь они бозонами, они бы вместо этого уселись рядышком на одной оболочке, лишив Вселенную химии – и химиков, ведь наше собственное существование зиждется на отказе маленьких фермионов жить под одной крышей.
Теория суперсимметрии постулирует, что законы природы не меняются при замене бозонов на фермионы и наоборот. Это означает, что каждый бозон должен иметь фермионного партнера, а всякий фермион – бозонного. Но, не считая различий в своей принадлежности к бозонам или фермионам, частицы-партнеры должны быть идентичными.
Поскольку никакие из уже известных частиц не подходят друг к другу таким образом, мы заключили, что среди них нет суперсимметричных пар, зато нужно ждать открытия новых частиц. Словно у нас есть гора кастрюль и крышек и мы убеждены, что недостающие предметы определенно должны быть где-то рядом.
К сожалению, суперсимметричные уравнения не говорят нам, какие у этих частиц-партнеров массы. Так как на получение более тяжелых частиц требуется больше энергии, частицу труднее обнаружить, когда ее масса большая. Пока мы поняли одно: суперпартнеры, если они существуют, настолько тяжелы, что энергия в наших экспериментах до сих пор недостаточно высока, чтобы их породить.
Суперсимметрия дерзает на многое. Помимо изобличения бозонов и фермионов как двух частей одного целого, SUSY еще помогает объединить фундаментальные взаимодействия, а также у нее есть потенциал объяснить некоторые численные случайности. Более того, некоторые из суперсимметричных частиц имеют нужные свойства, чтобы образовывать темную материю. Я расскажу об этом подробнее в следующих главах.
Суперсимметрия так тесно стыкуется с действующими теориями, что многие физики убеждены: она должна быть верна. «Несмотря на усилия многих сотен физиков, проводящих эксперименты в поисках этих частиц, никакие суперпартнеры никогда не наблюдались и не детектировались»2, – пишет физик Дэн Хупер из Фермилаб [3] . И все же «это почти не обескуражило физиков-теоретиков, которые страстно ждут, что природа будет выражена таким образом – окажется суперсимметричной. Для многих из этих ученых идеи, стоящие за суперсимметрией, попросту слишком красивы и слишком элегантны, чтобы не быть частью нашей Вселенной. Они разрешают слишком много проблем и вписываются в наш мир слишком естественно. По мнению этих искренне верующих, частицы-суперпартнеры просто обязаны существовать».
3
Фермилаб – сокращенное название Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Иллинойс, США). – Прим. перев.
Хупер не единственный, кто подчеркивает силу этой убежденности. «Многим физикам-теоретикам трудно поверить, что суперсимметрия не играет никакой роли где-нибудь в природе»3, – замечает физик Джефф Форшоу. А в статье 2014 года, опубликованной в журнале Scientific American под заголовком «Суперсимметрия и кризис в физике», специалисты по физике элементарных частиц Мария Спиропулу и Джозеф Ликкен разделяют надежду на то, что доказательства в конце концов появятся, – с формулировкой «без преувеличения можно сказать: большинство специалистов по физике элементарных частиц во всем мире верят, что суперсимметрия должна быть верной»4 (выделение авторов статьи).
Привлекательности SUSY добавляет то, что симметрия, касающаяся бозонов и фермионов, долго считалась невозможной из-за математического доказательства, которое ее вроде бы запрещало 5 [4] . Но ни одно доказательство не лучше, чем его допущения. Оказалось, что если ослабить допущения того доказательства, суперсимметрия, напротив, становится максимально возможной симметрией, способной согласовываться с действующими теориями 6 [5] . И как же природа могла не воспользоваться настолько красивой идеей?
4
Это теорема Коулмена – Мандулы. – Здесь и далее, если не указано иное, прим. автора.
5
Допущения можно ослабить еще больше, но ничего физически интересного из этого, похоже, не выходит; см., например, Lykken J. 1996. Introduction to supersymmetry. FERMILAB-PUB-96/445-T. arXiv:hep-th/9612114.