Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил

Необходимый расчет на самом деле довольно прост по меркам современной теоретической физики. Мы уже обсудили все необходимые идеи на словах. К сожалению, мне придется опустить всю алгебру, я милосердный человек, к тому же мой издатель настоятельно рекомендовал мне это сделать. Поэтому я просто сформулирую результат.

Мы находим, что затравочная постоянная сильного взаимодействия между кварками в планковском масштабе, выраженная в единицах Планка, составляет около 1/25. Это довольно осязаемое улучшение по сравнению с имевшимся у нас ранее расхождением 1/10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000!

Таким образом, мы объяснили (очевидную) слабость гравитации, начиная с фундаментальной, новой, но имеющей под собой твердую основу физики. И мы преодолели главное препятствие на пути к единой теории взаимодействий.

Дальнейшие шаги

Я надеюсь, вы согласитесь, что это довольно интересная и связная история. Заявления «миссия выполнена» основывались и на гораздо меньшем.

Однако для великих выводов такая база кажется недостаточной. Это все равно что строить перевернутую пирамиду, балансирующую на одной вершине. Для ее укрепления нам нужно более широкое основание.

Нет более убедительного способа продемонстрировать то, что вы взяли барьер, чем завершение забега. Перед нами открывается путь к объединению сил. Вступим же на него.

Часть III. Является ли красота истиной?

Мы нашли логичное и красивое объяснение слабости гравитации. Но истинно ли оно? Чтобы установить его истинность и плодотворность или их отсутствие, нам необходимо встроить его в более широкий круг идей и вывести следствия, которые можно проверить.

Природа, кажется, намекает на возможность создания единой теории фундаментальных взаимодействий. Наше объяснение слабости гравитации очень хорошо вписывается в эти рамки. Однако для того, чтобы полностью и в деталях подтвердить это объединение, мы должны постулировать существование нового мира частиц. Некоторые из них должны материализоваться в ускорителе БАК (Большой адронный коллайдер), расположенном недалеко от Женевы. Другие могут пронизывать Вселенную, учитывая наличие в ней темной материи.

Глава 17. Объединение: песнь сирены

Известные частицы и виды взаимодействий составляют разрозненную структуру. Расширенная теория, основанная на тех же принципах, но отличающаяся большей симметрией, упорядочивает ее.

Мы видели, что некоторые хорошо известные физические законы приводят нас к глубокому объяснению одной из классических проблем физики, связанных со слабостью гравитации.

К сожалению, чтобы прийти к данному ответу, мы должны были распространить эти хорошо известные законы на гораздо меньшие расстояния по сравнению с теми, которые мы можем непосредственно исследовать. Точно так же[47]мы должны были распространить эти законы на уровни энергии, значительно превышающие те, что доступны для непосредственного исследования, — на энергии в «миллионы миллиардов» (1015) раз превышающие те, на которые рассчитан многомиллиардный европейский ускоритель БАК. Таким образом, наше объяснение основано на фундаменте из непроверенных фактов!

Мы не должны пассивно принимать эту ситуацию. Мы можем поискать другие способы получения доступа к физике объединения, а также к физике сверхкоротких расстояний и сверхвысоких энергий. Прямой путь заблокирован. На практике мы не можем ускорять и сталкивать частицы на требуемом уровне энергий. Тем не менее мы можем поискать дополнительные признаки объединения — необъяснимые закономерности в доступных нам фактах.

Такие закономерности существуют. Пожалуйста, посмотрите на рис. 17.1 и 17.2.

 

Рис. 17.1. Организация частиц и взаимодействий в Центральной теории. Обращает на себя внимание то, что кварки и лептоны делятся на шесть отдельных групп, а взаимодействия — на три отдельные части

На рис. 17.1 представлена обнаруживаемая нами организация частиц — так называемая стандартная модель (включающая КХД). «Стандартная модель» — гротескно скромное название для одного из величайших достижений человечества. Стандартная модель в удивительно компактной форме обобщает почти все, что мы знаем о фундаментальных законах физики[48]. Все явления ядерной физики, химии, материаловедения и электронной техники заключены в стандартной модели. И в отличие от шутливого выражения Фейнмана U = 0 и словесной гимнастики классической философии этот рисунок содержит конкретные алгоритмы для развертывания символов в модель физического мира. Это позволяет делать удивительные предсказания и с уверенностью разрабатывать, например, необычные лазеры, ядерные реакторы или сверхбыструю и сверхкомпактную компьютерную память. Не прибегая к гротескной скромности, в дальнейшем я буду ссылаться на стандартную модель как на Центральную теорию.

 

Рис. 17.2. Организация тех же частиц и взаимодействий плюс много чего еще в единой теории. Обращает на себя внимание то, что кварки и лептоны объединены в одно целое, как и взаимодействия

Трудно было бы переоценить обширность области применения, мощность и доказанную точность Центральной теории. Поэтому я даже не буду пытаться это сделать. Данная теория близка к последнему слову Природы. Она на длительное время, возможно навсегда, обеспечила основу для нашего фундаментального описания физического мира.

На рис. 17.2 представлена организация тех же частиц и их свойства в единой теории. Центральная теория далеко не автоматически может быть встроена в (гипотетическую) единую теорию. Если бы однобокие формы, присутствующие в Центральной теории, или связанные с ними странные числовые значения были другими, ничего бы не вышло. Вы не смогли бы объединить их (по крайней мере так аккуратно). Другими словами, при попытке объединения мы объясняем эти однобокие формы и странные числовые значения.

Природа поет обольстительную песню. Давайте прислушаемся к ней...

Центральная теория: биты выбора

В предыдущих главах мы довольно подробно обсудили сильное взаимодействие и описывающую его теорию — квантовую хромодинамику, или КХД. Современная квантовая теория электричества и магнетизма — квантовая электродинамика, или КЭД, — является одновременно матерью и младшей сестрой КХД. Матерью, потому что КЭД возникла раньше и предоставила множество концепций, которые легли в основу КХД; а сестрой, потому что уравнения квантовой электродинамики являются более простым, менее устрашающим вариантом уравнений КХД. КЭД мы также довольно подробно обсудили.

В рамках обычного хода вещей главная роль сильного взаимодействия заключается в построении протонов и нейтронов из кварков и глюонов. При этом практически нейтрализуются цветные заряды, однако оставшиеся дисбалансы порождают остаточные силы, которые связывают протоны и нейтроны в атомные ядра. Электромагнитное взаимодействие связывает электроны с ядрами, создавая атомы. При этом практически нейтрализуются электрические заряды, однако оставшиеся дисбалансы порождают остаточные силы, которые связывают атомы в молекулы, а молекулы — в вещество. КЭД также описывает свет и все родственные ему формы электромагнитного излучения — радио, СВЧ, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.

Третьим крупным игроком в Центральной теории является слабое взаимодействие. Его роль в природе менее заметна, но также крайне важна. Слабое взаимодействие отвечает за алхимию. Точнее, оно превращает кварки различных ароматов друг в друга, а также превращает друг в друга различные виды лептонов. На рис. 17.1 слабое взаимодействие производит преобразования в вертикальном направлении. (Сильное взаимодействие производит преобразования в горизонтальном направлении.) При изменении одного из u-кварков в протоне на d-кварк протон превращается в нейтрон. Таким образом, изменения, вызванные слабым взаимодействием, преобразуют атомное ядро одного элемента в атомное ядро другого. Реакции, основанные на «алхимии» слабого взаимодействия (более «важным» названием которой является «ядерная химия»), могут сопровождаться высвобождением гораздо большей энергии, чем у обычных химических реакций. Звезды живут на энергии, получаемой в результате систематического преобразования протонов в нейтроны.

Прежде чем углубляться в детали устройства ядра Центральной теории (сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий), я сделаю несколько замечаний о том, что (на время!) придется обойти вниманием, — о гравитации и массе нейтрино.

• Как мы уже обсуждали, кажущаяся слабость гравитации, вероятно, больше связана с нашим восприятием, чем с собственно гравитацией. И, как мы увидим в следующих нескольких главах, Природа побуждает нас включать гравитацию вместе с другими видами взаимодействий в качестве равноправного партнера, участвующего в объединении.

На практике нет никаких трудностей для включения гравитационных взаимодействий в Центральную теорию. Для этого существует уникальный и простой способ, и он работает. (Для экспертов: примените действие Эйнштейна — Гильберта к метрическому полю, минимизируйте взаимодействие материальных полей и сделайте квантование в плоском пространстве.) В своей повседневной работе астрофизики постоянно используют общую теорию относительности наряду с остальными компонентами Центральной теории, и вполне успешно. Это касается и тех, кто использует GPS.

Короче говоря, обычная практика отделения гравитации от других составляющих Центральной теории является удобной, но, вероятно, поверхностной.

• То, что нейтрино обладает ненулевой массой, было установлено в 1998 году, однако намеки на это появились еще в 1960-е годы. Значения масс нейтрино очень малы. Масса самого тяжелого из трех типов нейтрино не превышает одной миллионной массы следующей легчайшей из известных нам частиц — электрона. Нейтрино известны своей неуловимостью и призрачностью. Около 50 триллионов этих частиц ежесекундно проходят сквозь тело каждого из нас, но мы этого не замечаем. Джон Апдайк написал о нейтрино стихотворение, которое начинается такими словами:

Нейтрино, крохотные тени,

Отринув массу и заряд,

Не признают закон общений,

Взаимодействий и преград.

Они по всей Вселенной шарят,

Не поступаясь прямизной.

Для них — пустой надутый шарик

Трилльоннотонный шар земной[49].

Благодаря героическим усилиям экспериментаторы смогли довольно подробно изучить свойства нейтрино[50].

Центральная теория прекрасно уживается с идеей о нулевой массе нейтрино, которая очень естественно встраивается в ее структуру. Для учета ненулевых масс нейтрино мы должны добавить новые частицы с необычными свойствами, для которых нет никакой другой мотивации или доказательств. Когда мы расширим Центральную теорию, чтобы получить единую теорию взаимодействий, все будет выглядеть совсем иначе. Тогда мы признаем новые частицы в качестве родственников — блудных детей, вернувшихся в семью. А их необычное поведение намекнет на их приключения в далеких краях.

Есть еще две сложности, которые я собираюсь приукрасить. Они представляют собой отклонения от моего главного сообщения, но не упомянуть о них было бы неправильно. Пожалуйста, не позволяйте этим поверхностным осложнениям отпугнуть вас. Признавая их существование, мы не позволим им исказить наше видение.

• Одной из сложностей являются массы и смешение калибровочных бозонов. В базовых уравнениях присутствует три симметричные группы калибровочных полей. Есть восемь цветных глюонных полей, с которыми вы уже познакомились. Еще три связаны с симметрией слабого взаимодействия. Они называются W+, W– и W0, и все они симметричны друг другу. Наконец, есть один изолированный калибровочный бозон B0 с «гиперзарядом». Сверхпроводимость Сетки придает ненулевые массы частицам, созданным W+ и W–, а также вполне определенной смеси W0 и B0. Возмущения в этой смеси производят массивные частицы, называемые Z-бозонами. Возмущения в другой комбинации W0 и B0 (для экспертов: ортогональная комбинация) остаются безмассовыми. Эта безмассовая комбинация W0 и B0 представляет собой фотон.

Подведем итог: c точки зрения математики симметрии поля W0 и B0 являются наиболее естественными. Однако возмущения с определенной массой, когда принимается во внимание сверхпроводимость Сетки, подразумевают смешение W0 и B0. Одним из типов возмущения является Z0-бозон с ненулевой массой; другим типом будет фотон с массой, равной нулю.

Иногда говорят, что Центральная теория объединяет электромагнетизм и слабое взаимодействие. Это вводит в заблуждение. По-прежнему существует два различных вида взаимодействия, связанных с различными видами симметрии. В Центральной теории они смешиваются, а не объединяются.

• Другую сложность представляют массы и смеси кварков и лептонов. Существует три различных «семейства». Таким образом, кроме самого легкого семейства, включающего u- и d-кварки, электрон е и электронное нейтрино e, существует два более тяжелых. Ко второму семейству относятся очарованный и странный кварки с и s, мюон μ и мюонное нейтрино μ. Наконец, третье семейство содержит истинный и прелестный кварки t и b, тау-лептон и тау-нейтрино .

Как и калибровочные бозоны, все эти частицы не имели бы массы, если бы не сверхпроводимость Сетки. Сверхпроводимость Сетки придает им массу[51], позволяет более тяжелым смешиваться и, таким образом, сложными способами распадаться на более легкие. Эти массы и смеси чрезвычайно интересуют экспертов, и понимание их значений является нерешенной задачей теоретической физики. Кроме того, непонятым остается более простой вопрос: почему существует именно три семейства?

Поскольку у меня нет каких-либо соображений по этому поводу, я не буду тратить время на отстаивание тех или иных подробностей. Это бы только отвлекло нас от хороших идей, которые мне хочется обсудить. Поэтому я постараюсь по возможности обойтись без лишних сложностей. Роман Толстого «Анна Каренина» начинается словами «Все счастливые семьи счастливы одинаково». В таком случае мы остановимся только на одном семействе.

Ух! Сложное это дело — докапываться до простоты. Однако после того, как мы на время отправили на чердак два странных подарка (гравитацию и массу нейтрино), избавились от путаницы, обусловленной сверхпроводимостью Сетки, и решили, что одного семейства будет достаточно, возникает четкий и лаконичный образ. Именно он представлен на рис. 17.1. Это самая суть Центральной теории.

Существует три симметрии: SU(3), SU(2) и U(1). Они соответствуют сильному, слабому и электромагнитному взаимодействию[52]

SU(3) — это симметрия между тремя видами цветного заряда, как нам уже известно. Она сопровождается восемью калибровочными бозонами, которые изменяются или реагируют на цветные заряды, и действует в горизонтальном направлении на рис. 17.1.

SU(2) — это симметрия между двумя дополнительными видами цветных зарядов. Она действует в вертикальном направлении на рис. 17.1.

Вы заметите, что каждая из частиц слева указана дважды. Каждая частица присутствует один раз в группе с индексом L и один раз — в группе с индексом R. Эти индексы относятся к «рукости», или хиральности, данных частиц: L — для левой руки, R — для правой руки. «Рукость» частицы определяется, как показано на рис. 17.3. «Леворукие» и «праворукие» частицы взаимодействуют по-разному. Этот факт называется «нарушением четности». Впервые его осознали Цзундао Ли и Чжэньнин Янг в 1956 году, и это открытие принесло им Нобелевскую премию в минимально короткие сроки — в 1957 году.

 

Рис. 17.3. «Рукость», или хиральность, частицы определяется направлением ее спина относительно направления ее движения. «Леворукая» частица вращается в направлении загнутых пальцев, когда большой палец левой руки указывает в направлении ее движения

Симметрия U(1) имеет дело только с одним видом заряда. Мы указываем его воздействие на различные частицы в соответствии с тем, насколько сильно и с каким знаком один ее бозон, по сути фотон, связывается с каждой из них. Маленькие цифры, расположенные рядом с каждой группой частиц, соответствуют именно этим показателям. Например, «праворукому» электрону соответствует значение –1, поскольку его электрический заряд равен –1 (в системе единиц измерения, в которой заряд протона равен +1). Самая крупная группа, состоящая из шести элементов, содержит u- и d-кварки с каждым из трех цветных зарядов. Электрический заряд u-кварков равен 2/3, в то время как d-кварки имеют электрический заряд, равный –1/3, поэтому средний электрический заряд внутри группы равен 1/6; именно это значение вы и видите.

Вот и все. Как я уже говорил, было трудно переоценить мощь и обширность сферы применения Центральной теории. На первый взгляд правила могут показаться несколько сложными, однако эти сложности ничто по сравнению, например, с правилами спряжения нескольких неправильных глаголов в латинском или французском языке. И в отличие от последних сложности Центральной теории не являются беспричинными. Они навязываются нам экспериментальными реалиями.

Критика

Партитура песни Природы, как мы ее слышим, представлена на рис. 17.1. Мы записали эту песню и сумели зафиксировать ее в чрезвычайно компактной форме. Она представляет собой великое достижение, подводящее итоги столетиям блестящей работы.

Тем не менее, если судить по самым высоким эстетическим стандартам, возможностей для улучшения очень много. Глядя на эту партитуру, Сальери вряд ли бы воскликнул: «Переставишь одну ноту и получишь диссонанс». Скорее он бы сказал: «Интересный набросок, но он нуждается в доработке».

Возможно, зная, что он смотрит на работу мастера, Сальери бы воскликнул: «Природа, видимо, доверила свое произведение ловкому подражателю!»

Во-первых, существует три не связанных между собой взаимодействия. Они основаны на одних и тех же принципах симметрии и реакции на заряды, однако эти заряды делятся на три различные группы, которые не могут быть преобразованы друг в друга. Есть преобразования (с участием цветных глюонов КХД), которые преобразуют красные, белые и синие цветные заряды друг в друга, а также преобразования (с участием W- и Z-бозонов), которые превращают друг в друга зеленый и фиолетовый цветные заряды. А электрический заряд — это вообще отдельная вещь.

Хуже того, различные кварки и лептоны делятся на шесть не связанных между собой кластеров. И эти кластеры не очень впечатляют — один содержит шесть элементов, а остальные, содержащие три, три, два, один и один элемент, лишь отдаленно напоминают мотивы песни. Наиболее диссонирующими являются те странные числа, средние электрические заряды, связанные с каждым кластером. Они кажутся случайными.

Кредитный счет

К счастью, Центральная теория содержит затравку собственного превосходства. Ее главным принципом является симметрия, а симметрия — это концепция, которую мы можем развивать чистой мыслью, просто используя свои головы. Мы можем играть с уравнениями.

Например, мы способны представить, что существуют преобразования, которые превращают сильные цветные заряды в слабые и наоборот. Это будет создавать более крупные кластеры связанных между собой частиц, и, возможно, между ними обнаружатся интересные закономерности. В лучшем случае мы могли бы надеяться на то, что три различных преобразования симметрии SU(3) × SU(2) × U(1) представляют собой разные грани одной большой мастер-симметрии, которая включает в себя их все.

Математический аппарат симметрии разработан очень хорошо, поэтому у нас есть мощные инструменты для решения задач, связанных с выявлением подобных закономерностей. Существует не так много возможностей, так что мы можем систематически перепробовать их.

Мастер-симметрия, которая кажется мне наиболее убедительной, основывается на группе преобразований, известной как SO(10). Все интересные возможности представляют собой незначительные вариации этой.

Математически группа SO(10) состоит из вращений в десятимерном пространстве. Я хотел бы подчеркнуть, что это «пространство» является чисто математическим. Это не то пространство, в котором вы могли бы передвигаться, даже будучи очень маленьким существом. Скорее, десятимерное пространство группы SO(10), мастер-симметрии, которая включает симметрии SU(3) × SU(2) × × U(1) Центральной теории, то есть объединяет сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, является домом для концепций. В этом пространстве каждый из цветных зарядов Центральной теории (красный, белый, синий, зеленый и фиолетовый) представлен отдельной двумерной плоскостью (поэтому существует всего 5 × 2 = 10 измерений). Поскольку есть вращения, которые преобразуют любую плоскость в любую другую, группа SO(10) объединяет и расширяет заряды и симметрии Центральной теории.

Людей, искушенных в математике, не удивит то, что симметрии можно комбинировать для получения более крупных симметрий. Как я уже говорил, для этого у нас есть хорошо разработанные инструменты. Гораздо менее автоматическим и оттого гораздо более впечатляющим является то, что рассеянные кластеры кварков и лептонов сочетаются между собой. Именно это изображено на рис. 17.2. Это то, что я люблю называть кредитным счетом[53].

В этом кредитном счете все кварки и лептоны находятся на равных. Любой из них может быть преобразован в любой другой. Они образуют очень специфическую структуру, так называемое спинорное представление SO(10). Когда мы производим отдельные вращения в двумерных плоскостях, соответствующие красному, белому, синему, зеленому и фиолетовому зарядам, мы в каждом случае обнаруживаем, что половина частиц имеет положительный, а другая половина — отрицательный заряд. Они отмечаются символами «+» и «–» в кредитном счете. Каждая возможная комбинация «+» и «–» возникает только один раз, это ограничение связано с тем, что общее количество «+»-зарядов является четным.

Электрические заряды, которые в рамках Центральной теории выступают в качестве случайных украшений, суть важные элементы в гармонии объединения. Они больше не являются независимыми относительно других зарядов. Формула:

 

выражает электрический заряд, точнее, гиперзаряд через другие заряды. Поэтому преобразования, связанные с вращением электрического заряда, поворачивают каждую из первых трех плоскостей на некоторый общий угол, а последние две — на угол в 3/2 раза больший в противоположном направлении.

Для достижения этой степени унификации мы должны осознать, что «праворукие» частицы можно рассматривать в качестве античастиц их собственных («леворуких») античастиц. Например, «праворукий» электрон является античастицей «леворукого» позитрона. Любое из описаний имеет один и тот же физический смысл, поскольку и частица, и ее античастица представляют собой возбуждения одного и того же поля, и именно это поле присутствует в первичных уравнениях. Преобразования симметрии между полями устанавливают связь между возбуждениями одной и той же хиральности, поэтому для нахождения всех возможных симметрий мы будем иметь дело только с «леворукими» возбуждениями (даже если это означает, что нам придется работать с античастицами).

При переходе от кредитного счета к Центральной теории очень важно понимать, что дополнительные цветные заряды нейтрализуются. Равные количества красного, белого и синего заряда или равные количества зеленого и фиолетового заряда обнуляют друг друга. Так, например, три равных количества (+) красного, белого и синего цветного заряда «леворукого» электрона е обнуляются. Поэтому они также обнуляются и в «праворуком» электроне, представленном в кредитном счете в виде его «леворукой» античастицы ес. Любые электроны являются невидимыми для цветных глюонов КХД. Другими словами, электроны не участвуют в сильном взаимодействии.

Наиболее странной является последняя запись кредитного счета — N. Ее сильные и слабые цветные заряды обнуляются. Таким образом, она невидима как для сильных, так и для слабых взаимодействий. Ее электрический заряд также равен нулю. Поэтому данная частица не реагирует на обычные силы Центральной теории. Из-за этого ее чрезвычайно сложно обнаружить — сложнее, чем нейтрино, которые участвуют по крайней мере в слабом взаимодействии. (N испытывает и оказывает гравитационное воздействие, но на практике, как мы уже обсуждали, гравитация отдельных частиц смехотворно слаба).

Разумеется, N не наблюдалось. Как это могло произойти? Если мы наблюдаем нечто, то это не может быть N, которое по определению ненаблюдаемо! Конечно, этот «триумф» теории является ложным. Однако N приветствуется и по более позитивной причине. Это дополнительная частица, которая, будучи добавленной в Центральную теорию, позволяет нейтрино иметь его крошечную массу[54]

В левом столбце кредитного счета указаны названия частиц (кварки и лептоны), которые мы используем для построения Центральной теории и мира. Однако мы могли бы удалить этот столбец. Если бы мы не знали названий этих частиц или их свойств, но имели бы только кредитный счет без всяких надписей, мы ничего бы не потеряли. Мы могли бы реконструировать свойства всех частиц, основываясь на информации кредитного счета (и конечно, их названия служат только для удобства).

И наоборот, если бы кластеры Центральной теории имели несколько другие формы или если бы сопровождающие их странные числа были другими, структура разрушилась бы.

Кредитный счет отображает соответствие математического идеала физической реальности. Это вполне достойно самой высокой похвалы Сальери: «Переставишь одну ноту и получишь диссонанс. Переставишь одну фразу, и все рассыплется».

Песнь сирены

Мифологические сирены поют захватывающие песни с каменистых берегов, навлекая на моряков погибель при кораблекрушении. Их песни содержат секреты, знания прошлого и будущего. Они обещают: «Знаем и то, что на всей происходит земле жизнедарной!» Джейн Эллен Харрисон комментирует: «Странно и прекрасно, что Гомер заставил сирен взывать к духу, а не к плоти».

Мы слышали песнь сирены об объединении.

Глава 18. Объединение: нечеткое видение сквозь стекло

Высшая симметрия, которая объединяет основные частицы, также предсказывает равенство между различными основными взаимодействиями. Это предсказание на первый взгляд совершенно неверно. Однако, когда мы введем поправку на искажающий эффект от флуктуаций Сетки, оно становится ближе к истине.

Мы слышали песнь сирены об объединении. Теперь пришло время открыть глаза и посмотреть, сможем ли мы ориентироваться среди скалистых берегов, где она обитает.

Не-симметрия

Усовершенствованная симметрия объединения многое объясняет. Она собирает разрозненные фрагменты Центральной теории в соразмерное целое. Тем не менее, как только наше зрение отойдет от первого ослепительного впечатления и мы посмотрим более внимательно, нам многое покажется неправильным.

На самом деле неправильным кажется что-то фундаментальное. Если сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия являются аспектами общего основного мастер-взаимодействия, то симметрия требует, чтобы все они обладали одинаковой силой. Но они ею не обладают. Это показано на рис. 18.1.

 

Рис. 18.1. Идеальная симметрия требует того, чтобы сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия имели одинаковую силу. Они ее не имеют. Для дальнейшего удобства здесь я использовал обратный квадрат связей в качестве количественной меры их относительной мощности. Таким образом, сильное взаимодействие, которое является самым мощным, указано внизу

Существует причина, по которой сильное взаимодействие называется сильным, а электромагнитное взаимодействие — нет. Сильное взаимодействие действительно сильнее! Одним из проявлений этого различия является то, что атомные ядра, связанные сильным взаимодействием, намного меньше атомов, которые удерживаются вместе электромагнитными силами. Сильное взаимодействие удерживает ядра более плотно.

Математика Центральной теории позволяет определить точную числовую меру относительной силы разных взаимодействий. Каждое из ее взаимодействий — сильное, слабое, электромагнитное — имеет то, что мы называем параметром связи или просто связью.

В терминах фейнмановских диаграмм эта связь является коэффициентом, на который мы умножаем каждый узел. (Эти универсальные общие коэффициенты связи следуют сразу за чисто численными значениями цветных или электромагнитных зарядов соответствующих частиц, как они закодированы в записях кредитного счета.) Поэтому каждый раз, когда в узле появляется цветной глюон, мы умножаем вклад изображенного процесса на сильную связь; каждый раз, когда появляется фотон, мы умножаем на электромагнитную связь. Базовая электромагнитная сила возникает из-за обмена фотона (см. рис. 7.4), поэтому она имеет квадрат электромагнитной связи. Аналогично базовое сильное взаимодействие возникает из-за обмена глюона, поэтому оно имеет квадрат сильной связи.

Полная симметрия между силами требует того, чтобы каждый узел был связан с любым другим. Это не допускает разницы между связями. Таким образом, наблюдаемые различия создают серьезную проблему для всей идеи объединения посредством симметрии.

Корректировка видения

Важный урок Центральной теории состоит в том, что сущность, которую мы воспринимаем в качестве пустого пространства, на самом деле является динамичной средой, обладающей структурой и полной активности. Сетка, как мы ее назвали, влияет на свойства того, что в ней находится, то есть всего. Мы видим вещи не такими, какие они есть, а будто сквозь стекло, нечетко. В частности, Сетка кипит виртуальными частицами, и они могут экранировать или антиэкранировать источник. Этот феномен для сильного взаимодействия был центральной идеей повествования в частях I и II. Он имеет место и для других видов взаимодействия.

Таким образом, значения связей, которые мы видим, зависят от того, как мы смотрим. Если мы посмотрим невнимательно, то не сможем различить основные источники, поскольку их изображение будет искажено Сеткой. Другими словами, мы увидим основные источники, смешанные с окружающим их облаком виртуальных частиц. Чтобы судить о том, имеют ли место совершенная симметрия и единство сил, мы должны внести поправку на искажения.