Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил

Чтобы разобраться в основах, нам, вероятно, потребуется разрешение очень коротких расстояний и временных интервалов. Этот урок повторялся не раз, начиная с ван Левенгука и его микроскопов и заканчивая Фридманом, Кендаллом и Тейлором, использующими ультрастробоскопический наномикроскоп в Стэнфордском центре линейного ускорителя, чтобы заглянуть внутрь протонов, а также экспериментаторами, использующими машину творческого разрушения БЭПК для изучения Сетки. Как мы видели в связи с этими двумя недавними проектами, для определения чрезвычайно коротких расстояний и временных интервалов, на которых в игру вступает квантовая теория, необходимо использовать зонды, которые активно передают большие количества энергии и импульса исследуемому объекту. Именно поэтому ускорители высоких энергий, несмотря на затраты и сложность, являются инструментами выбора.

На грани промаха

Как мы обсуждали в главе 16, облака виртуальных частиц могут увеличиваться медленно. Чтобы облако вокруг кварка выросло из умеренной затравки до угрожающих размеров, оно должно увеличиться с планковской длины до размера протона, то есть в 1018 раз!

Учитывая этот опыт, мы не должны удивляться, если обнаружим: чтобы добраться до основ, то есть расстояний, на которых может происходить объединение сил, нам может потребоваться передача немыслимых объемов импульса и энергии. Мощнейший ускоритель БАК обеспечит нам в десять раз лучшее разрешение, то есть разрешение с коэффициентом, равным 101, при затратах, составляющих около 10 миллиардов евро. Далее все становится сложнее.

Поэтому мы должны использовать свой мозг. Хотя он и не очень надежен, но относительно дешев и всегда под рукой (так сказать). Несколькими росчерками пера мы можем рассчитать эффекты искажения Сетки и внести соответствующие поправки.

Результат показан на рис. 18.2.

 

Рис. 18.2. Внесение поправок с учетом искажений Сетки с целью проверить, объединяются ли силы. Когда мы выстраиваем объекты так, что обратные связи, возведенные в квадрат, располагаются по вертикали в восходящем порядке и обозначаются более понятным термином — «нисходящая мощность», а по горизонтали располагаются значения логарифма энергии, или (что то же самое) обратного расстояния, скорректированные связи, рассматриваемые со все увеличивающимся разрешением, создают прямые линии. О величине погрешностей эксперимента можно судить по ширине линий. Это почти работает, но не совсем

Как мог бы сказать Гомер Симпсон: «Ой! Это не совсем то, что нужно. Близко, но не сигара».

Что же делать?

Глава 19. Приближение к истине

Когда привлекательная идея является почти правильной, мы пытаемся сделать ее правильной. Мы ищем способы приблизить ее к истине.

Известный философ Карл Поппер подчеркивал важность опровергаемости в науке. Согласно Попперу, признаком научных теорий является то, что они дают утверждения — предположения, которые могут оказаться ложными. Верно ли утверждение Поппера? Можете ли вы его опровергнуть?

Возможно, это глубокая истина. Репоппизм — противоположность попперизма — говорит, что признаком хорошей научной теории является то, что вы можете сделать ее истинной. Такая теория может ошибаться, но если это хорошая теория, то на этих ошибках вы можете основывать дальнейшие построения.

В важном отношении опровергаемость и возможность приближения к истине являются двумя сторонами одной медали. Обе ценят определенность. Худшая теория, с обеих точек зрения, не есть теория, допускающая ошибки. На ошибках вы можете учиться. Худшая теория — это теория, которая даже не пытается ошибаться, теория, которая одинаково готова ко всему. Если все одинаково возможно, то нет ничего особенно интересного.

С точки зрения нашего иезуитского кредо, которое гласит: «Блаженнее просить прощения, чем разрешения» — опровергаемая теория спрашивает разрешения, теория, приближаемая к истине, просит прощения, а ненаучная теория не имеет понятия о грехе.

Идеи распознавания закономерностей и сжатия описаний, которые мы обсуждали ранее, представляют разные точки зрения на эти проблемы (и, я думаю, идут глубже). Если обработка каждого пиксела приводит к среднему оттенку серого, то в результате сырой экспозиции не появится никакого изображения. Аналогичным образом, чтобы распознать закономерности в нашем восприятии физического мира на фоне всего, что можно себе представить, наши кандидаты на звание теории должны отличать возможное от невозможного (в соответствии с теорией). Только в этом случае мы можем их по-разному раскрасить, и только тогда наши наблюдения предоставят нам контрастное изображение, с которым мы можем работать.

Если нам удастся добиться определенности и получить много правильных пикселов, то у нас может сложиться полезный образ даже при наличии нескольких ошибок. (Мы можем отретушировать его с помощью программы Photoshop.) Таким образом, кроме точности мы получаем награду за амбиции, то есть за привнесение в изображение большого количества пикселов (или, пользуясь нашей метафорой, множества фактов).

Достаточно метафор и общностей! Рассмотрим пример приближения к истине.

Повышаем ставки: увеличение степени объединения

Наша смелая попытка объединения сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий не вполне сработала. Нам удалось создать теорию, которая оказалась не просто опровергаемой, но и совершенно ложной. Очень научной, по меркам сэра Карла Поппера. Но почему-то мы остались неудовлетворенными.

Когда такая привлекательная и почти успешная идея кажется не совсем правильной, имеет смысл попытаться ее спасти. Мы ищем способы приблизить ее к истине.

Вероятно, в наших стремлениях к объединению мы были недостаточно амбициозны. Суть объединения различных зарядов такова:

электрон ↔ кварк

фотон ↔ глюон. (19.1)

Это по-прежнему оставляет строительные блоки мира разделенными на два отдельных класса. Можем ли мы пойти дальше? Можем ли мы сделать это?

электрон ↔ кварк

↕ ↕

фотон ↔ глюон (19.2)

Давайте попробуем.

Глава 20. Объединение требует суперсимметрии

Когда мы расширяем физические уравнения, чтобы включить суперсимметрию, мы обогащаем Сетку. Таким образом, мы должны перекалибровать наши расчеты того, как Сетка искажает наше видение объединения. Благодаря такой коррекции в фокусе появляется резкое изображение.

Совершенствуя наши уравнения, мы расширяем мир.

В 1860-х годах Джеймс Клерк Максвелл вывел уравнения для электричества и магнетизма, как они понимались в то время, и обнаружил, что они ведут к противоречиям[55] Он видел, что может обеспечить их последовательность путем добавления нового члена слагаемого. Оно, разумеется, соответствует новому физическому эффекту. За несколько лет до Майкла Фарадея в Англии Джозеф Генри в Соединенных Штатах обнаружил, что при изменении во времени магнитные поля создают электрические поля. Новый член в уравнениях Максвелла являлся воплощением обратного эффекта, при котором изменение электрических полей создает магнитные поля. Объединив эти эффекты, мы получаем совершенно новую возможность: изменяющиеся электрические поля создают изменяющиеся магнитные поля, которые создают изменяющиеся электрические поля, которые создают изменяющиеся магнитные поля... Вы можете получить самообновляющееся возмущение, которое живет собственной жизнью. Максвелл видел, что его уравнения имели решения такого рода. Он мог рассчитать скорость, с которой эти возмущения перемещаются в пространстве. И он обнаружил, что они движутся со скоростью света.

Будучи очень сообразительным малым, Максвелл пришел к выводу о том, что эти электромагнитные возмущения представляют собой свет. Эта идея жива и по сей день, и у нее существует множество вариантов продуктивного использования. Она остается основой нашего глубочайшего понимания природы света. Но это еще не все. Уравнения Максвелла также имеют решения с меньшими и с большими длинами волн, чем у видимого света. Таким образом, эти уравнения предсказывали существование новых видов вещей — новых видов материи, если хотите, которые в то время не были известны. Это то, что мы сегодня знаем как радиоволны, микроволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение, каждое из которых вносит значительный вклад в современную жизнь и является переселенцем из концептуального мира в физический (из к-мира в ф-мир).

В конце 1920-х годов Поль Дирак работал над улучшением уравнения, описывающего электроны в квантовой механике. Несколькими годами ранее Эрвин Шредингер сформулировал уравнение для электрона, которое очень хорошо работало во многих сферах применения. Однако физики-теоретики не были полностью удовлетворены уравнением Шредингера, поскольку оно не подчиняется специальной теории относительности. Оно является квантово-механической версией ньютоновского закона силы и подчиняется старой механической относительности, а не электромагнитной относительности Эйнштейна. Дирак обнаружил, что для получения уравнения, согласующегося со специальной теорией относительности, ему придется использовать уравнение, большее по сравнению с уравнением Шредингера. Как и усовершенствованные уравнения Максвелла для электричества и магнетизма, усовершенствованное уравнение Дирака для электронов предусматривало новые виды решений: помимо решений, которые соответствуют электронам, движущимся с разными скоростями и вращающимся в разных направлениях, были и другие. После некоторых трудностей и фальстартов и с некоторой помощью Германа Вейля к 1931 году Дирак расшифровал значение этих странных новых решений. Они представляют собой новый вид частиц с той же массой, что и у электрона, но с противоположным зарядом. Именно такая частица была обнаружена вскоре после этого, в 1932 году, Карлом Андерсоном. Мы называем ее антиэлектроном или позитроном. В настоящее время мы используем позитроны для наблюдения за тем, что происходит внутри мозга (позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)).

Существует множество других свежих примеров, когда в наших уравнениях появились новые формы материи еще до их обнаружения в лабораториях. Фактически это стало обычным делом. Кварки — как общая концепция, так и их специфические ароматы c, b и t, цветные глюоны, W- и Z-бозоны, а также все три вида нейтрино, — сначала были обнаружены в качестве решений уравнений, а позднее — в качестве явления физической реальности.

Продолжается поиск других талантливых обитателей концептуального мира, которые мы хотели бы привлечь в физический мир, в частности частиц Хиггса и аксионов. К сожалению, их подробное описание здесь потребовало бы сделать два серьезных отступления, в то время как наше повествование приближается к кульминации. Вы можете найти дополнительную информацию о них в глоссарии и примечаниях, а о частице Хиггса также в приложении Б.

Для нашей истории наиболее важным из предлагаемых расширений уравнений физики является суперсимметрия, которую часто называют SUSY. Как следует из названия, суперсимметрия предполагает, что мы должны использовать уравнения с большей симметрией.

Новая симметрия SUSY связана с буст-симметрией специальной теории относительности. Как вы помните, буст-симметрия говорит о том, что основные уравнения не меняются, когда вы описываете эффект от внедрения общей, постоянной скорости для всех компонентов описываемой вами системы. (Дираку пришлось модифицировать уравнение Шредингера, чтобы придать ему это свойство.) Суперсимметрия также говорит о том, что уравнения не меняются, когда вы сообщаете общее движение всем компонентам системы, которую описываете. Однако это совсем другой вид движения по сравнению с тем, который участвует в буст-симметрии. Вместо движения в обычном пространстве с постоянной скоростью суперсимметрия предусматривает движение в новые измерения!

Прежде чем увлечься видениями духовных миров и червоточин в гиперпространстве, позвольте мне добавить, что эти новые измерения имеют совершенно иную природу по сравнению со знакомыми нам измерениями пространства и времени. Это квантовые измерения. Тело, когда оно движется в квантовых измерениях, не перемещается, поскольку там нет понятия расстояния; вместо этого изменяется его спин. Эти «супербусты» превращают частицы с заданным значением характерного для них спина в частицы с другим значением спина. Поскольку уравнения должны оставаться неизменными, суперсимметрия связывает свойства частиц с различным спином. SUSY позволяет нам рассматривать их как одну и ту же частицу, движущуюся по-разному сквозь квантовые измерения суперпространства. Квантовые измерения можно представить в виде новых уровней Сетки. Когда частица переходит на такой уровень, ее спин (и ее масса) меняется. Заряды частицы — электрический, цветной и слабый — остаются прежними.

Суперсимметрия может позволить нам завершить работу по объединению Центральной теории. Объединение разных зарядов с помощью симметрии SO(10) свело в общий кластер все калибровочные бозоны, а также объединило в общий кластер все кварки и лептоны. Однако никакая обычная симметрия не способна объединить эти два кластера, поскольку они описывают частицы с разными спинами. Суперсимметрия — это лучшая идея для их объединения.

Поправка поправки

После расширения уравнений физики для включения суперсимметрии мы обнаруживаем, что они предусматривают большее количество решений. Как и в случае с уравнениями Максвелла и Дирака, новые решения представляют собой новые формы материи — новые виды полей и новые виды частиц, которые являются возбуждениями этих полей.

Суперсимметрия требует, грубо говоря, удвоения количества полей, имеющихся в наших уравнениях. Наряду с каждым известным нам полем в квантовых измерениях существует новое поле-партнер. Частицы, связанные с этими новыми полями, имеют те же заряды (всех видов), что и их известные партнеры, но различаются значением массы и спина.

Предположение об удвоении мира, основанное на эстетических соображениях[56], может показаться безрассудным и нелепым. Возможно, так и есть. Однако введение Дираком антиматерии предполагало аналогичное удвоение, а расширение Максвеллом мира света от видимой полосы до бесконечного пространства электромагнитного спектра было еще более значительным. Изначально обе концепции, по сути, являлись эстетическими уступками. Физики научились быть смелыми. Блаженнее просить прощения, чем разрешения. Итак, покончим с извинениями и вернемся к делу.

Новые частицы-партнеры должны быть тяжелее, чем их наблюдаемые сородичи, иначе они бы уже были обнаружены. Но мы предположим, что они не намного тяжелее, и посмотрим, к чему это приведет[57]

Колебания в этих новых полях пронизывают Сетку. Они представляют собой новые виды виртуальных частиц, которые вносят вклад в экранирование и антиэкранирование сильных, слабых и электромагнитных источников. Чтобы добраться до основ, имеющих место на коротких расстояниях или высоких уровнях энергии, мы должны скорректировать наше видение, чтобы устранить искажающий эффект этой бурлящей среды. Мы уже пытались произвести такую коррекцию ранее в главе 18 без учета этих возможных новых вкладов. Теперь мы должны скорректировать эту поправку.

Результат показан на рис. 20.1. Благодаря суперсимметрии это работает.

 

Рис. 20.1. Суперсимметрия требует расширения уравнений физики для включения новых полей. Из-за этих новых полей колебания Сетки искажают наше видение самых базовых физических процессов. После корректировки этих искажений мы обнаруживаем точное объединение на малых расстояниях, или, что то же самое, на высоких уровнях энергии

И гравитация тоже

Мы можем включить в игру и гравитацию. Она, как мы видели, изначально является гораздо более слабой силой по сравнению с другими. Глядя на левую часть рис. 20.1, отражающую расстояния и уровни энергии, к которым мы можем получить доступ на практике, мы видим, что разница в мощности между сильным и электромагнитным взаимодействием примерно десятикратна. Поэтому они легко и аккуратно вписываются в одну картину вместе со слабым взаимодействием. Гравитация же не вписывается в эту картину. Поскольку она слабее и мы отмечаем обратную мощность, гравитация должна отображаться выше других. Однако, чтобы включить ее в таком масштабе, нам придется сделать наш рисунок размером, намного превосходящим размер известной нам Вселенной!

С другой стороны...

Для сил Центральной теории — сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия — корректировки при движении вправо, к гораздо более коротким расстояниям или более высоким уровням энергии, довольно скромны (и помните, что каждая отметка на горизонтальной оси соответствует коэффициенту, равному 10). В конце концов, эти корректировки возникли из-за едва заметного квантово-механического эффекта: экранирования (или антиэкранирования), связанного с колебаниями Сетки. Когда мы рассматриваем гравитацию на очень коротких расстояниях, передавая очень большие количества энергии, изменение оказывается гораздо более радикальным. Как мы уже говорили в главе 3, гравитация непосредственно реагирует на энергию. Ее мощность, как она определяется здесь, пропорциональна квадрату энергии. Учитывая этот эффект, мы можем вычислить гравитацию на малых расстояниях и сравнить ее с другими взаимодействиями. На рис. 20.2 показан результат. Из-за пределов известной нам Вселенной обратная сила гравитации спускается, чтобы присоединиться к другим взаимодействиям, подходя к ним довольно близко.

 

Рис. 20.2. Изначально гравитация смехотворно слаба, но на малых расстояниях ее мощность приближается к мощности других видов взаимодействия; и все они собираются вместе, подходя довольно близко друг к другу

Глава 21. Предчувствие нового золотого века

Мы изложили идею объединения. Пришло время представить ее на окончательный суд Природы. Мы ожидаем вердиктов от ускорителей, из космоса и из-под земли.

Мы видели, что теории основных сил, каждая из которых основана на симметрии, могут быть объединены. Три отдельные Центральные симметрии могут быть реализованы в качестве частей единой, всеобъемлющей симметрии. Более того, эта всеобъемлющая симметрия привносит единство и согласованность в кластеры Центральной теории. Из пестрой шестерки мы собираем безупречный кредитный счет. Мы также обнаружили, что после внесения поправок на искажающий эффект колебаний Сетки, а также включения суперсимметрии (SUSY) различные силы Центральной теории получаются из общего значения на малых расстояниях. Даже гравитация, этот безнадежно слабый и не вписывающийся в общую картину компонент, находит свое место.

Чтобы достичь этой ясной и возвышенной перспективы, мы совершили некоторые смелые скачки в своем воображении. Мы предположили, что Сетка — сущность, которую в повседневной жизни мы считаем пустым пространством, представляет собой многослойный и многоцветный сверхпроводник. Мы предположили, что мир содержит дополнительные квантовые измерения, необходимые для поддержания суперсимметрии. Кроме того, мы смело применили законы физики, дополненные этими двумя «супер»-предположениями, к уровням энергии и расстояниям, выходящим далеко за пределы того, что мы способны непосредственно проверить.

Достигнутые интеллектуальные успехи — ясность и согласованность видения объединения — заставляют нас верить в то, что наши предположения соответствуют действительности. Однако в мире науки окончательным судьей является Мать-природа.

После того как солнечная экспедиция 1919 года подтвердила предсказание Альберта Эйнштейна об отклонении Солнцем луча света, репортер спросил ученого, что бы означал иной результат. На что Эйнштейн ответил: «Тогда Бог упустил бы прекрасную возможность». Природа не упускает таких возможностей.

Я ожидаю, что приговор Природы в пользу наших «супер»-идей ознаменует начало нового золотого века в фундаментальной физике.

Проект БАК

Недалеко от Женевы, в лаборатории ЦЕРН, протоны будут двигаться по 27-километровому круговому туннелю со скоростью, равной 0,999998 скорости света. В противоположном направлении будут испускаться два плотных луча. Они будут встречаться в четырех точках взаимодействия, в которых детекторы размером с пятиэтажное офисное здание будут отслеживать взрывные результаты столкновений. Это проект Большого адронного коллайдера (БАК) (рис. 21.1).

 

Рис. 21.1. Детектор ATLAS в ЦЕРНе

Огромный размер ускорителя БАК — это ответ нашей цивилизации пирамидам Древнего Египта. Однако по многим параметрам этот памятник является более благородным. Он был порожден любопытством, а не суеверием. Это продукт сотрудничества, а не приказа.

И гигантский масштаб ускорителя БАК является не самоцелью, а побочным эффектом его функции. На самом деле общий физический масштаб проекта не является единственным или даже наиболее впечатляющим из его аспектов. Внутри этого длинного туннеля находятся сложно устроенные и точно выровненные сверхпроводящие магниты. Каждый из этих могущественных гигантов имеет длину 15 метров, но построен с субмиллиметровыми допусками. Электроника обеспечивает необходимый точный хронометраж. При разделении столкновений и отслеживании частиц подсчитываются наносекунды.

Поток необработанной информации, получаемый в процессе работы ускорителя, является ошеломляющим не только для мозга, но и для компьютерных сетей. Согласно оценкам, ежегодно БАК будет производить 15 петабайт (1,5 × 1015 байт) информации. Это соответствует пропускной способности полумиллиона телефонных разговоров, происходящих одновременно и без остановок. Для обработки этой информации в настоящее время разрабатываются новые архитектуры, которые позволяют тысячам компьютеров по всему миру разделить нагрузку. Это так называемый (компьютерный) Грид-проект.

Ускоритель БАК достигнет достаточно большой концентрации энергии для проверки обоих наших «супер»-предположений.

Мы можем довольно точно оценить, что требуется для выбивания куска конденсата, ответственного за (электрослабую) сверхпроводимость Сетки. Слабое взаимодействие имеет место на коротких, но не бесконечно коротких расстояниях. W- и Z-бозоны являются тяжелыми, но не бесконечно тяжелыми частицами. Наблюдаемый диапазон взаимодействия и масса его переносчиков обеспечивают нам хорошее понимание жесткости конденсата, ответственного за эти эффекты. Зная жесткость, мы можем оценить, сколько энергии нам нужно сконцентрировать, чтобы оторвать отдельные куски (кванты) конденсата или, выражаясь более прозаично, создать частицу Хиггса, или частицы, или сектор, или что-то другое, что делает Сетку космическим сверхпроводником. Если наши идеи не являются слишком ошибочными, ускоритель БАК справится с этой задачей.

Похожая история и c суперсимметрией. Мы хотим, чтобы колебания Сетки, связанные с новыми полями-суперпартнерами, приводили к объединению сил связи. Если они способны решить эту задачу, то возбуждения, связанные с этими полями, не могут быть слишком жесткими. Некоторые из их возбуждений — некоторые новые частицы SUSY, партнеры известных нам частиц, — должны быть произведены и обнаружены на ускорителе БАК.

Если частицы-суперпартнеры действительно будут обнаружены, они предоставят нам новые сведения относительно физики объединения. Массы и связи этих частиц, как и основные связи взаимодействий Центральной теории, будут искажены эффектами колебаний Сетки. Однако подробности этих искажений, согласно предположениям, будут определенным образом различаться. Если все пойдет хорошо, то успешный, но изолированный и слабо обоснованный расчет объединения, который мы имеем сегодня, может превратиться в процветающую экосистему взаимодополняющих результатов.

Темная материя в равновесии

К концу XX века физики консолидировали свою чрезвычайно успешную теорию материи — Центральную теорию. Ее компактное, но вместе с тем удивительно полное и точное описание основных законов материи стало венцом многовековой работы.

Однако параллельно с этим астрономы сделали потрясающие новые открытия, которые вернули нам смирение. Они обнаружили, что материя, с которой мы веками имели дело, материя, которую изучает биология, химия, инженерия и геология, материя, из которой состоим мы сами и которая прекрасно описывается нашей Центральной теорией[58] — эта обычная материя составляет лишь около 5 % массы всей Вселенной!

Остальные 95 % содержат по крайней мере два компонента, называемые темной энергией и темной материей.

На темную энергию приходится около 70 % массы. Она наблюдалась только по гравитационному влиянию, которое она оказывает на движение обычной материи. Не было замечено, чтобы эта материя излучала или поглощала свет; она является не темной в обычном смысле слова, а прозрачной. Кажется, темная энергия равномерно распределена по всему пространству, причем ее плотность остается постоянной во времени. Теория темной энергии находится в плохом состоянии. Это задача на будущее.

Темная материя составляет около 25 % массы. Она тоже наблюдалась только по гравитационному воздействию, оказываемому на движение обычной материи. Темная материя неравномерно распределена в пространстве, а ее плотность не является постоянной во времени. Она собирается в сгустки, хотя и не такие плотные, как обычная материя. Вокруг каждой тщательно изученной галактики астрономы обнаружили протяженный ореол темной материи. Эти ореолы размыты — в областях, где они перекрываются, их плотность, как правило, в миллион раз меньше плотности обычной материи, однако они занимают гораздо больший объем по сравнению с обычной материей. Вместо того чтобы говорить о галактиках как об объектах, обладающих ореолами, было бы более уместным говорить о галактике, состоящей из обычной материи, как о примеси в темной материи.

Думаю, что проблема темной материи созрела для решения.

Среди новых частиц-партнеров, предсказанных суперсимметрией, одна является особенной — самой легкой. Ее свойства зависят от деталей, относительно которых у нас нет убедительных идей (особенно от конкретных значений масс всех суперсимметричных партнеров). Поэтому мы должны испробовать все возможности. Мы обнаружили, что во многих случаях самый легкий суперсимметричный партнер живет чрезвычайно долго — дольше, чем Вселенная, — и очень слабо взаимодействует с обычной материей. Однако самым поразительным является то, что, когда мы применяем наши уравнения к Большому взрыву, чтобы увидеть, какая часть этого вещества могла бы сохраниться до сегодняшнего дня, мы обнаруживаем, что она примерно соответствует количеству темной материи. Естественно, все это говорит о том, что самый легкий партнер суперсимметрии — это и есть темная материя.

Поэтому вполне возможно, что, исследуя основные законы физики на сверхкоротких расстояниях, мы отгадаем важную космологическую загадку и начнем избавляться от утомительного смирения. Если появится какая-либо частица — кандидат на звание создателя темной материи, отличной идеей будет проверить, действительно ли этот кандидат справляется с задачей. Что касается теории, то нам нужно будет выявить все реакции, связанные с возникновением темной материи в момент большого взрыва, и произвести вычисления. Что касается эксперимента, мы хотим проверить, действительно ли кандидат является тем, что существует. Когда вы точно знаете, что ищете, найти это становится намного проще.

Существует еще одна многообещающая идея о том, что собой представляет темная материя, которая возникает из другого предложения по улучшению уравнений физики. Как мы уже говорили, КХД в глубоком и буквальном смысле является воплощением симметрии. Существует почти идеальное соответствие между наблюдаемыми свойствами кварков и глюонов и наиболее общими свойствами, допускаемыми цветовой калибровочной симметрией, в рамках специальной теории относительности и квантовой механики. Единственное исключение состоит в том, что установленные симметрии КХД не могут запретить поведение, которое не наблюдается. Установленные симметрии допускают некоторое взаимодействие между глюонами, нарушающее инвариантность уравнений КХД при изменении направления времени. Эксперименты серьезно ограничивают возможную силу этого взаимодействия. Эти пределы являются намного более жесткими по сравнению с тем, что можно было бы ожидать при случайном возникновении.

Центральная теория не объясняет это «совпадение». Роберто Печчеи и Хелен Куинн нашли способ расширить уравнения, который мог бы его объяснить. Стивен Вайнберг и я независимо друг от друга показали, что расширенные уравнения предсказывают существование новых, очень легких, очень слабо взаимодействующих частиц, называемых аксионами. Аксионы также являются серьезными кандидатами на то, чтобы считаться ответственными за происхождение космологической темной материи. В принципе, их можно наблюдать различными способами. Хотя ни один из них не является легким, поэтому охота продолжается.

Возможно также, что обе идеи правильны и оба вида частиц вносят вклад в общее количество темной материи. Было бы здорово, не правда ли?

Один ботинок упал, ждем других

Объединение сил Центральной теории создает большую симметрию, а большая симметрия создает дополнительные силы. Мы постулируем второй, более жесткий слой космической сверхпроводимости, чтобы объяснить, как подавляются дополнительные силы, которые мы не наблюдали[59] Однако мы не хотим подавлять их полностью. В масштабах объединения — на высоких уровнях энергии, или, что то же самое, на коротких расстояниях — и за их пределами эти новые взаимодействия объединены с компонентами Центральной теории и обладают такой же силой.

Квантовые флуктуации — виртуальные частицы, которые достигают этих необыкновенных уровней энергии, крайне редки, но они действительно происходят. Соответственно, эффекты, которые эти флуктуации катализируют, согласно предсказаниям, должны быть очень маленькими, но не нулевыми. Два из этих эффектов настолько необычны и неожиданны, что они считаются классическими признаками физики объединения.

• Нейтрино должны приобретать массу.

• Протоны должны распадаться.

Мы слышали, как упал первый ботинок. Как говорилось ранее, нейтрино действительно имеют очень малые, но ненулевые массы. Наблюдаемые значения этих масс в целом соответствуют ожиданиям от объединения.

Мы ждем падения другого ботинка. Глубоко под землей гигантские фотоприемники наблюдают за огромными чанами с охлажденной водой в поисках вспышек, которые будут сигнализировать о смерти протонов. Согласно нашим оценкам скорости распада протонов, это открытие не за горами. Если так, то оно откроет еще один путь к физике объединения, возможно, самый прямой и мощный. Ибо протоны могут распадаться многими способами, а скорости для различных возможностей непосредственно отражают новые взаимодействия, возникающие в результате объединения.

Объединение взаимодействий Центральной теории — сильного, слабого и электромагнитного — в единую унифицированную теорию предполагает некоторые догадки, однако его принципы ясны. Квантовая механика, специальная теория относительности и (локальная) симметрия прекрасно сочетаются друг с другом. Как мы видели, используя их, мы можем сделать определенные предложения для экспериментального исследования, включая количественные оценки прогнозируемых эффектов.

Мы также видели, что объединение с гравитацией хорошо работает и на уровне сравнения их фундаментальной силы. Однако наши представления о единой теории отнюдь не являются конкретными. Идеи относительно теории суперструн кажутся многообещающими, однако никому еще не удалось достаточно их разработать, чтобы конкретно указать на то, каких новых эффектов следует ожидать. Какие ботинки упадут при объединении с гравитацией? Можем ли мы надеяться на то, что услышим звук их падения? Это тоже вопрос на будущее.

Эпилог. Гладкий камешек, красивая раковина

Сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу и развлекающимся тем, что до поры до времени отыскиваю камешек более цветистый, чем обыкновенно, или красивую раковину, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным. (Исаак Ньютон)