Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса
Шрифт:
Наглядное представление об этой теории отчасти дает рисунок на предыдущей странице. Каждая точка на нем — это частица, однако, как и на схеме, где изображена стандартная модель, два кварка с разными цветами и спинами отражены на схеме двумя разными точками.
Я не требую, чтобы вы пересчитали все возможные варианты частиц в стандартной модели и на схеме Е8, но если бы вы решили это сделать, то пришли бы к выводу, что здесь недостает 22 частиц и что на месте этих пробелов должны быть частицы, которых мы еще не видели.
В частности, Е8 интересна еще и тем, что охватывает не только
Сам Лиси считает, что его теория еще в процессе разработки, и я должен отметить — чтобы исключить недоразумения, — что даже если Теория Всего охватывает гравитацию, это не то же самое, что квантовая теория гравитации. Иначе говоря, даже в самом лучшем случае Е8 не поможет разобраться в сильных гравитационных полях.
Физическое сообщество отнеслось к Е8 крайне скептически. Во-первых, эта модель не предсказывает массы частиц второго и третьего поколения, даже если вручную ввести в нее массы частиц первого поколения (тех частиц, с которыми мы знакомы лучше всего). Во-вторых, теория Е8 весьма бесцеремонно соединяет фермионы и бозоны в одну метачастицу. А это не пустяки. Помните, что для того, чтобы фермион выглядел по-прежнему, вам придется повернуть его дважды, а большинство бозонов будут выглядеть как раньше уже после одного поворота. Так что объединить их в одну частицу — задача не такая уж тривиальная, поскольку это нарушение симметрии.
При всем при том, отношения между фермионами и бозонами еще могут натолкнуть нас на важные шаги к пониманию симметрии во вселенной.
Суперсимметрия
Итак, у нас есть кучка частиц под названием фермионы и кучка других частиц под названием бозоны, и когда нужна сила, они взаимодействуют друг с другом, после чего считают свою задачу выполненной. С организационной точки зрения представляется, что они совсем разные. Фермионы строятся в аккуратные шеренги и колонны, а бозоны шныряют где попало — следствие той случайной симметрии, которая их породила.
Однако их взаимодействия бывают неожиданными.
Возьмем, к примеру, то, как устроена жизнь бозона Хиггса. С одной стороны, бозон Хиггса придает массу прочим частицам; с другой — прочие частицы должны также составлять массу самого бозона Хиггса. Как и в случае поля Хиггса, все сводится к тому, как одно поле взаимодействует с другим. Поскольку взаимодействие — это просто еще один синоним слова «энергия», а энергия и масса взаимозаменяемы, то масса бозона Хиггса, которую мы намеряли в Большом адронном коллайдере, не обязательно та настоящая масса, которую мы получили бы, если бы сумели отсечь все взаимодействия.
Все это точный аналог вышеописанной истории с экранирующим эффектом и беспримесным зарядом электрона. Бывает так, что видишь одно, а получаешь другое. Причем поправка к массе бозона Хиггса должна быть огромная, в целом порядка планковской массы. В Большом адронном коллайдере намеряли массу бозона Хиггса примерно в 200 квадрильонов раз меньше планковской. Тот факт, что эта масса так мала, однако не равна нулю, никак нельзя считать случайностью. Это означает, что подлинная масса бозона Хиггса должна быть необычайно тонко подстроена так, чтобы поправка и чистая масса почти, но не совсем, уравновешивали друг
Шансы, что нечто подобное происходит в природе чисто случайно, до смешного малы.
Я привел вам поправку массы только для электронов и позитронов, однако существует множество других разновидностей частиц. И все они наверняка взаимодействуют с частицей Хиггса и тоже обеспечивают поправку к массе.
Во всем этом есть одна жутковатая подробность. Как мы уже видели, если подменить частицу другой такой же, фермионы связаны с — 1, а бозоны с +1. Сейчас эти плюс и минус единица снова нам пригодятся, просто на сей раз у них будет несколько иная роль. Для каждого вида фермионов мы вычитаем что-то из чистой массы, чтобы получить наблюдаемую массу — вот почему я прибег к вычитанию, когда говорил об электронах, — а для бозонов прибавляем что-то к наблюдаемой массе. Разве не было бы замечательно (это только отчасти риторический вопрос), если бы типов фермионов и бозонов было поровну?
В самом лучшем случае они могли бы в точности взаимоуничтожиться.
На самом деле нам все равно, какова чистая масса частиц — в точности так же, как нам все равно, каков беспримесный электрический заряд. Просто жутко бесит, что поправки такие точные. Однако всегда можно воткнуть голову в песок, если хочется.
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.