Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
Шрифт:
В суперсимметричной теории все фермионы могут превращаться в соответствующие бозоны, а все бозоны — в соответствующие фермионы. Суперсимметрия — это прием теоретического описания таких частиц. И если вы анализируете уравнения, описывающие поведение частиц в результате преобразования суперсимметрии, переставляющего бозоны и фермионы, то эти уравнения после преобразования должны выглядеть аналогично. Все предсказания должны быть тождественны тем, которые можно было сделать до преобразования симметрии.
На первый взгляд, рассматриваемая нами симметрия игнорирует логику. Предполагается, что преобразования симметрии оставляют систему неизменной, однако преобразования суперсимметрии меняют местами частицы, которые существенно различны —
И хотя было странно предположить, что за преобразованием, смешивающим столь разные объекты, может скрываться симметрия, тем не менее ряд физиков рассмотрели такую возможность. В 1970-е годы европейские и советские физики [127] показали, что симметрия может переставлять местами столь различные частицы и законы физики могут при этом оставаться неизменными.
127
П. Рамон, Дж. Весе, Б. Зумино, С. Феррара и др. в Европе, и независимо Ю. А. Гольфанд, Е. П. Лихтман, Д. В. Волков и В. П. Акулов в Советском Союзе.
Эта симметрия несколько отличается от предыдущих, так как подвергающиеся перестановкам объекты явно обладают разными свойствами. Тем не менее симметрия может существовать, если бозоны и фермионы присутствуют в равных количествах. В качестве аналогии рассмотрим два набора красных и зеленых шариков разных размеров, причем наборы отличаются только цветом. Допустим, вы сели играть в шарики с приятелем. Вы играете красными шариками, а ваш приятель — зелеными. Если у каждого красного шарика имеется единственная пара среди зеленых шариков, то не важно, каким цветом вы играете — вы не получите никаких преимуществ в игре. Однако, если количества красных и зеленых шариков каждого размера не равны друг другу, игроки будут поставлены в неравные условия. Начальный выбор красного или зеленого цвета будет иметь значение и игра будет происходить по-другому, если вы со своим приятелем поменяетесь цветами. Чтобы была симметрия, шарики каждого размера должны быть двух цветов — красного и зеленого, и должно быть одинаковое число шариков каждого цвета и каждого размера.
Аналогично, суперсимметрия возможна только при условии, что бозоны и фермионы точно объединяются в пары. Вам необходимо иметь равное число бозонных и фермионных типов частиц. И точно так же, как шарики, меняющиеся местами, должны иметь одинаковые размеры, спаренные бозоны и фермионы должны иметь одинаковые массу и заряды, а их взаимодействия должны контролироваться одинаковыми параметрами. Иными словами, каждая частица должна иметь своего суперпартнера с аналогичными свойствами. Если бозон испытывает сильные взаимодействия, эти же взаимодействия испытывает его суперсимметричный партнер. Если имеются взаимодействия, включающие определенные частицы, то должны быть и связанные с ними взаимодействия, включающие их суперсимметричных партнеров.
Одна из причин, которая делает суперсимметрию столь интригиующей, состоит в том, что если она будет открыта в нашем мире, это будет первая новая пространственно-временная симметрия, найденная за последние сто лет. Именно поэтому она — «супер». Я не стану углубляться в математические объяснения, но только знания того, что суперсимметрия переставляет частицы с разным спином, достаточно для понимания этого факта. Так как спины частиц различны, бозоны и фермионы преобразуются по-разному при вращениях в пространстве, поэтому для компенсации этой разницы в преобразования суперсимметрии должны входить пространство и время.
Но не подумайте, что это означает, что вы сможете представить, как выглядит отдельное преобразование суперсимметрии в физическом пространстве. Даже физики понимают суперсимметрию только в терминах ее математического описания и экспериментальных следствий. А последние, как мы скоро увидим, очень впечатляют.
Этот раздел можно, в принципе, пропустить. Он носит исторический характер и в нем не вводится никаких новых понятий, существенных для дальнейшего изложения. Но история развития теории суперсимметрии интересна потому, что она демонстрирует плодотворность новых идей и путь, на котором теория струн и построение моделей иногда образуют продуктивный симбиоз. Теория струн послужила толчком для поиска суперсимметрии, теория суперструн — наилучший возможный вариант теории струн для описания реального мира — родилась только благодаря идеям, пришедшим из супергравитации, т. е. суперсимметричной теории, включающей гравитацию.
Пьер Рамон, физик французского происхождения, в 1971 году предложил первую суперсимметричную теорию. Он рассматривал не четыре измерения, в которых (как мы привыкли думать) мы живем, а два — одно пространственное и одно временное. Цель Рамона состояла в том, чтобы найти способ включения фермионов в теорию струн. По техническим причинам, первоначальная версия теории струн включала только бозоны, однако в любой теории, которая надеется описать наш мир, без фермионов не обойтись.
Теория Рамона содержала двумерную суперсимметрию и превратилась в теорию фермионных струн, построенную им совместно с Андре Невье и Джоном Шварцем. Теория Рамона была первой суперсимметричной теорией, появившейся в западном мире; одновременно суперсимметрию открыли Гольфанд и Лихтман в Советском Союзе, но их работы были спрятаны от Запада за железным занавесом.
Так как четырехмерная квантовая теория поля опиралась на значительно более солидное основание, чем теория струн, возник очевидный вопрос: возможна ли суперсимметрия в четырех измерениях? Однако, поскольку суперсимметрия сплетена со структурой пространства-времени, обобщить ее двумерный вариант на случай четырех измерений оказалось непростой задачей. В 1973 году немецкий физик Юлиус Весс и уроженец Италии физик Бруно Зумино построили четырехмерную суперсимметричную теорию. Независимо, в Советском Союзе Дмитрий Волков и Владимир Акулов построили другую четырехмерную суперсимметричную теорию, но холодная война снова воспрепятствовала обмену идеями.
С развитием четырехмерной суперсимметричной теории, все большее количество физиков обращало на нее внимание. Однако модель Весса — Зумино 1973 года не могла включить все частицы Стандартной модели; никто не знал, как добавить в четырехмерную суперсимметричную теорию переносящие взаимодействия калибровочные бозоны. В 1974 году эту трудную задачу решили итальянские теоретики Сержио Феррара и Бруно Зумино.
Возвращаясь с конференции «Струны-2002», по пути из Кембриджа в Лондон, Сержио рассказал мне, почему поиск правильной теории был бы немыслимо трудной задачей, если бы не использование формализма суперпространства — абстрактного расширения пространства-времени, имеющего дополнительные фермионные измерения. Суперпространство — необычайно сложное понятие, и я не буду даже пытаться его объяснить. Важно то, что этот совершенно новый тип измерения, не похожий на привычные пространственные измерения, играет ключевую роль в становлении суперсимметрии. Этот чисто теоретический инструмент продолжает и сегодня упрощать расчеты суперсимметрии.
Теория Феррары — Зумино показала физикам, как включить в суперсимметричную теорию электромагнетизм, слабые и сильные взаимодействия. Однако суперсимметричные теории все еще не включали гравитацию. Поэтому в суперсимметричной теории мира оставался открытым вопрос, может ли она включить это остающееся взаимодействие. В 1976 году три физика, Сержио Феррара, Дэн Фридман и Питер ван Нивенхойзен решили эту задачу, построив теорию супергравитации — сложную суперсимметричную теорию, включающую гравитацию и теорию относительности.