Помоги проекту - поделись книгой:
В своей книге 2001 года Горди описал суперсимметрию как «удивительную, красивую и необыкновенную» и в то время казался уверенным, что Большой адронный коллайдер обнаружит частицы-суперпартнеры. Его уверенность основывалась на аргументе о естественности. Если предположить, что теория суперсимметрии содержит только «приличные» числа – не слишком большие, но и не слишком маленькие, – можно оценить массы суперпартнеров. «По счастью, ожидаемые массы достаточно малы, они намекают, что суперпартнеры скоро будут обнаружены», – писал Горди. И объяснил, что «массы суперпартнеров не могут значительно превышать массу
Оценка Горди основывается на одной из главных привлекательных особенностей суперсимметрии: она избавляет от необходимости выполнять тонкую настройку для массы бозона Хиггса, одной из двадцати пяти частиц Стандартной модели. Этот довод типичен, мы с такими еще не раз столкнемся, так что разберем его детально.
Бозон Хиггса – единственная известная частица своего типа, и он страдает от специфической математической проблемы, от которой другие элементарные частицы защищены: квантовые флуктуации вносят огромный вклад в его массу. Вклад квантовых флуктуаций обычно мал, но в случае бозона Хиггса он дает массу гораздо большую, чем наблюдаемая, – в 1014 раз больше. Не слегка неправильную, а недопустимо, катастрофически неверную[32].
То, что математика дает ошибочный результат для массы хиггсовского бозона, легко исправить. Можно внести поправку в теорию посредством вычитания нужного члена – так, чтобы оставшаяся разность давала наблюдаемую массу. Подобная поправка возможна, поскольку ни один из членов по отдельности не измерить, измерима лишь разница между ними. Однако, производя такое действие, нужно аккуратно подобрать вычитаемый член, чтобы почти, но не полностью аннулировать вклад квантовых флуктуаций.
Для такого деликатного устранения требуется число, идентичное тому, что обуславливают квантовые флуктуации, в четырнадцати разрядах, а затем отличающееся в пятнадцатом. Но то, что пара таких близких чисел могла возникнуть случайно, кажется крайне маловероятным. Представьте, что вы дважды запускаете руку в огромную коробку, где лежат лотерейные билеты со всеми возможными пятнадцатизначными номерами. Если вы вытянете два билета с абсолютно одинаковыми, за исключением последней цифры, номерами, то подумаете, что этому должно быть объяснение – либо билеты плохо перемешаны, либо кто-то вас разыграл.
Физики чувствуют то же по поводу подозрительно маленькой разности двух больших чисел, необходимой, чтобы придать правильную массу бозону Хиггса, – это словно бы требует объяснения. Но поскольку, когда речь идет о законах природы, мы не вытягиваем номера из коробки, мы лишены возможности сказать, насколько это вероятно или невероятно. Следовательно, то, что масса хиггсовского бозона требует объяснения, на самом деле ощущение, а не факт.
Число, будто бы нуждающееся в объяснении, физики называют «тонко настроенным» (
Итак, числа очень большие, очень маленькие и очень близкие неестественны. В рамках Стандартной модели масса бозона Хиггса неестественна, что делает эту модель некрасивой.
Суперсимметрия значительно улучшает ситуацию, поскольку предохраняет от непомерно больших вкладов квантовых флуктуаций в массу хиггсовского бозона. Так происходит потому, что суперсимметрия обеспечивает необходимое аккуратное устранение заметных вкладов сама по себе, без необходимости осуществлять тонкую настройку. Остаются только более умеренные вклады от масс суперпартнеров. Условие, что все массы естественны, означает, что первые суперпартнеры должны появиться при энергиях, не слишком далеких от тех, при которых появляется сам бозон Хиггса. Ведь если суперпартнеры существенно тяжелее хиггсовского бозона, их вклады должны быть устранены тонкой настройкой, чтобы дать меньшую массу бозона Хиггса. И хотя подобное возможно, кажется абсурдным выполнять тонкую настройку SUSY, раз одно из главных привлекательных ее свойств в том, что она обходится без тонкой настройки.
Если вдруг я потеряла вас на квантовой математике, суть такова: нам не нравятся маленькие числа, поэтому мы изобрели способ обходиться без них, и если это правильно, то мы должны увидеть новые частицы. Это не предсказание, а желание. Однако же эти доводы стали настолько обыденными, что в физике элементарных частиц используются без колебаний.
То, что тяжелые суперпартнеры снова вызовут проблемы с естественностью, было основной причиной, по которой многие физики верили: новые частицы должны объявиться в Большом адронном коллайдере. «Если SUSY существует, многие из важнейших причин ее использования требуют некоторых SUSY-частиц в области ТэВ» – фраза из цикла лекций, прочитанного в 2005 году Карлосом Вагнером в Институте Энрико Ферми в Чикаго 50. Цитирую эти слова единственно для того, чтобы показать, что я слышала на десятках семинаров. «Теоретики любят SUSY за ее элегантность, – написал Леон Ледерман незадолго до того, как заработал Большой адронный коллайдер. – Большой адронный коллайдер позволит нам установить, существует SUSY или нет: даже если «скварки» и «глюино» [два типа суперпартнеров] имеют такую большую массу, как 2,5 ТэВ, Большой адронный коллайдер найдет их»51.
Бозон Хиггса был обнаружен с массой примерно 125 ГэВ. Но никаких суперпартнеров не выявилось, да и вообще ничего такого, что не могла бы объяснить Стандартная модель. Как мы теперь знаем, это означает, что, если суперпартнеры существуют, их массы должны быть тонко настроены. Похоже, естественность попросту неверна.
Поскольку аргументы о естественности оказались ошибочными, специалисты по физике элементарных частиц в растерянности: как быть дальше? Проводник, которому верили больше всего, кажется, подвел их.
Первый цикл Большого адронного коллайдера был запущен в 2008 году. Сейчас декабрь 2015-го, никаких признаков суперсимметрии найдено не было, что вопиюще противоречит предсказанию Горди 2001 года. Однако после двухгодичной модернизации коллайдер вновь заработал в начале текущего года, на этот раз на энергии 13 ТэВ, и мы пока не видели результатов второго запуска, так что надежда все еще теплится[34].
На конференции во время перерыва мне удается спросить мнение Горди о нынешней ситуации: «Что вы подумали, когда суперпартнеры в Большом адронном коллайдере не обнаружились?»
«Не было никаких причин ожидать их появления в первом цикле, – говорит Горди. – Ни единой, кроме этого наивного аргумента о естественности. Но если вы на самом деле ищете теорию, которая дает предсказания, то это теория струн. Суперпартнеры и не должны возникнуть в первом цикле. Они могут проявиться во втором».
Вот она – способность адаптироваться к новым обстоятельствам, отличающая настоящего ученого.
«А что, если их не будет и во втором цикле?»
«Тогда эта модель ошибочна. Не знаю, мне пришлось бы ломать голову над тем, что происходит. Поскольку предсказания модели такие общие, я действительно ожидаю, что суперпартнеры проявятся. [В противном случае] я бы точно отнесся к данным серьезно и размышлял, что в модели можно изменить. Не знаю, я бы тогда хотел какое-то время повозиться и посмотреть, не возникло ли чего-то такого, что можно поменять».
По истечении первых дней конференции в Мюнхене мне стало ясно, что ни у кого здесь нет дельных советов, как быть дальше. Возможно, я ожидала от философов слишком многого.
Зато я поняла следующее: идея Карла Поппера о том, что научные теории должны быть фальсифицируемы, уже давно стала устаревшим критерием. И я рада, так как это принцип, который никто в науке никогда не мог применить, кроме как в качестве риторического приема. Редко возможно по-настоящему опровергнуть идею, ведь та всегда может быть видоизменена или распространена на поступающие новые данные, чтобы им соответствовать. Следовательно, вместо того чтобы фальсифицировать теории, мы делаем их неправдоподобными: непрерывно перестраивающаяся теория становится все сложнее и мудренее – если не сказать некрасивее, – и в конце концов ее сторонники теряют к ней интерес. Сколько требуется времени, чтобы сделать идею неправдоподобной, зависит от толерантности к многократной подгонке теории под противоречивые данные.
Я спрашиваю Горди: «Думаете ли вы, что элегантность теории – это что-то такое, чему теоретики уделяют внимание и о чем им
«Да, они уделяют этому внимание. Я уделял, – отвечает он. – Потому что так приятнее работать, это распаляет». Он ненадолго замолкает. «Не уверен насчет “следует”. Условно говоря, мне
• Ученые с давних пор использовали красоту в качестве руководящего принципа. Он не всегда оказывался верным.
• В теоретической физике симметрии принесли очень большую пользу. Теперь они считаются красивыми.
• Специалисты по физике элементарных частиц также думают, что теория красива, если содержит «естественные» числа – близкие к единице. Неестественное число называют «тонко настроенным».
• Если нам не хватает данных и нужна теория, чтобы решить, где искать новые, ошибки при разработке теории могут завести в тупик.
• Некоторые философы предлагают ослабить требования к научному методу так, чтобы ученые могли выбирать теории по критериям, не связанным со способностью теории объяснить наблюдения.
• Вопросы о том, как быть дальше, несмотря на отсутствие данных, и подправить ли научный метод, актуальны и за рамками оснований физики.
Глава 3
Союзное положение
Мир согласно физикам
Самый потрясающий факт о физике высоких энергий состоит в том, что вы можете преуспеть, ничегошеньки о ней не зная.
Возьмем кальций, один из элементов наших костей. Атом кальция состоит из 20 нейтронов и 20 протонов, которые связаны вместе в атомном остове – также называемом «ядро», – окруженном 20 электронами. Электроны являются фермионами и образуют отдельные оболочки вокруг ядра. Именно структура этих оболочек и определяет химические свойства кальция (рис. 2).
Вместе с тем протоны и нейтроны в ядре не сидят смирно, они постоянно в движении: перемещаются и сталкиваются друг с другом, испуская и поглощая особые частицы – переносчиков взаимодействия, – которые удерживают их вместе. Покоя в субатомном мире не бывает никогда. И тем не менее, невзирая на непрерывное движение, все атомы кальция ведут себя одинаково. К счастью для вас – ведь в противном случае ваши кости могли бы развалиться.
Рис. 2. Оболочечная модель атома, в которой электроны (
Интуитивно вы всю свою жизнь знали: что бы ни делали нейтроны внутри атомов, все это не может быть таким уж важным, иначе вы бы об этом слышали. Однако по существу подобное отсутствие влияния совершенно поразительно. Учитывая превеликое множество отдельных компонентов, почему вся эта подструктура атома не порождает поведение, которое чрезвычайно сложно объяснить? Почему все атомы так похожи? Многочисленные частицы, из которых те состоят, каждая занимается своим делом, однако же атомы подчиняются удивительно простым законам – настолько простым, что атомы могут быть четко сгруппированы в периодической таблице, построенной исключительно на структуре электронных оболочек.
Похоже, природа безмерно доброжелательно относится к нашей жажде понять. Что бы ни происходило в ядре – остается в ядре; мы видим только суммарный эффект. Некоторые атомы связываются с водородом, другие нет – но то, что конкретно происходит в ядре, не имеет отношения к этой связи. Одни атомы формируют правильные кристаллические решетки, другие нет – и то, что творится в ядре, не влияет на строение кристаллической решетки.
Наша возможность игнорировать, что конкретно происходит с отдельными компонентами, относится не только к атомам. Свойства сложных частиц, таких как нейтроны и протоны, также почти не замечают движения их составляющих – кварков и глюонов. И когда мы описываем, например, как атомы шпыняют пыльцевые зерна на поверхности воды (броуновское движение), достаточно думать об атомах как о самостоятельных частицах и просто не учитывать, что они содержат что-то более мелкое. На еще больших масштабах все то же: планетные орбиты не зависят от строения планет, а – отодвигаемся еще дальше – на космологических масштабах даже с галактиками можно обращаться словно с частицами без составных элементов.
Это не значит, что происходящее на коротких расстояниях не оказывает вообще никакого влияния на то, что происходит на бо́льших, – просто детали не очень важны. Бо́льшие объекты состоят из меньших, и законы для более крупных вытекают из законов для более мелких. Неожиданность в том, что законы для крупных объектов столь просты.
Получается, значительная доля информации от меньших объектов не нужна для понимания более крупных. Мы говорим, что физика на коротких расстояниях «разъединяется» с физикой на бо́льших расстояниях, или что «масштабы разделяются». Это разделение масштабов и служит причиной, по которой вы можете идти по жизни, не зная ровным счетом ничего о кварках и бозоне Хиггса или – к ужасу профессоров физики во всем мире – не ведая, что представляет из себя квантовая теория поля.
Разделение масштабов имеет важные последствия. Оно означает, что мы можем сформулировать приблизительные законы природы, с неплохой точностью описывающие систему на некоем данном разрешении, а затем вносить в эти законы поправки по мере увеличения разрешения. Приблизительные законы, подходящие лишь для определенного разрешения, называются «эффективными».
При уменьшении разрешения, таким образом, часто целесообразно приспосабливаться к объектам, с которыми имеет дело теория, а также к свойствам, что мы им приписываем. При более низких разрешениях осмысленнее объединять в теории множество мелких компонентов в один объект побольше, присваивать этому крупному объекту имя и задавать его свойства. Вот как нам удается говорить об атомах и их оболочечной структуре, о молекулах и их колебательных модах, о металлах и их электропроводности – даже несмотря на то, что в базовой теории нет никаких атомов, нет металлов с их электропроводностью, а есть только элементарные частицы.
Стало быть, каждый уровень разрешения имеет свой собственный язык – формулировки, наиболее удобные на этом уровне. Мы называем такие зависящие от разрешения объекты и их свойства «эмерджентными». Процесс, который увязывает теорию на коротких расстояниях с теорией на больших расстояниях, именуется «огрублением» (
Рис. 3. Иллюстрация огрубления. Объекты при низком разрешении и законы для них (
Понятие «эмерджентный» противоположно понятию «фундаментальный», означающему, что объект дальше уже нельзя разложить на составные части, а его свойства – вывести из более точной теории. Фундаментальность – вопрос современного уровня знаний. Что фундаментально сегодня, возможно, уже не будет таковым завтра. А вот эмерджентное останется эмерджентным.
Вещество состоит из молекул, которые состоят из атомов, а те, в свою очередь, состоят из частиц Стандартной модели. Частицы Стандартной модели плюс пространство и время, насколько мы сейчас знаем, фундаментальны – не состоят из чего-то еще. В основаниях физики мы пытаемся выяснить, есть ли что-то еще фундаментальнее.
Как физика меня частенько обвиняют в редукционизме, как будто это некая опциональная позиция, которой можно было бы и не придерживаться. Но это не вымышленная концепция, а свойство природы, открывшееся в экспериментах. Мы вытащили эти уровни разрешения и их законы из бесчисленных наблюдений и обнаружили, что они описывают наш мир чрезвычайно хорошо. Эффективная теория поля говорит нам, что мы можем – в принципе – вывести теорию для меньших масштабов из теории для бо́льших, но не в обратную сторону.
Поскольку история науки потихоньку вскрыла эту иерархическую структуру, сегодня многие физики думают, что должна существовать одна фундаментальная теория, из которой выводится все остальное, – «теория всего». Такая надежда закономерна. Если бы вы сосали гигантский леденец сотню лет, разве вы не надеялись бы в итоге добраться до жвачки?
Все течет
Эффективные законы, что зависят от разрешения, предлагают другой способ увидеть, почему естественность привлекательна. Для этого физики присвоили каждой теории положение в абстрактном «пространстве теорий», где удобно изображать между ними связи. Так как теории зависят от разрешения, каждая из них описывает в этом пространстве кривую, когда разрешение меняется (рис. 4). Вместе кривые всех теорий называются «потоком» теорий.
Рис. 4. Каждая точка в пространстве теорий – это отдельная теория. Если мы меняем разрешение, то выписываем кривую. Числа относятся к уровням на рисунке 3.
В этом пространстве естественность означает, что теория для низкого разрешения не должна сильно зависеть от теории для высокого (которая полагается более фундаментальной). Идея в следующем: что бы мы ни выбрали в качестве параметров для более фундаментальной теории при высоком разрешении, при низком физика должна оставаться похожей на ту, что мы наблюдаем. Вот основное свойство естественности – наш выбор не должен иметь значения.
Поток в пространстве теорий позволяет количественно оценить, насколько же теория для низкого разрешения зависит от выбора параметров для высокого; именно так работают вычисления Джудиче[35]. Это проиллюстрировано на рисунке 5. Низкое разрешение – это то, что мы можем исследовать сейчас, где у нас есть Стандартная модель. Кажется странным называть его «низким», учитывая, что это самое высокое разрешение, какого мы когда-либо достигали. Но оно
Стандартная модель (для низкого разрешения) естественна – или не требует тонкой настройки, – если не особенно важно, откуда конкретно в пространстве теорий мы стартуем при высоком разрешении. В этом случае поток всегда вынесет нас куда-то поблизости (в пределах погрешности измерений) от Стандартной модели (рис. 5, слева). Если же мы вынуждены точно подбирать теорию для высокого разрешения, с тем чтобы очутиться рядом со Стандартной моделью, значит, мы тем самым осуществляем тонкую настройку исходной точки. Тогда Стандартная модель неестественна (рис. 5, справа).
Рис. 5. Иллюстрация потока в пространстве теорий в двух случаях: когда теория (а именно – Стандартная модель, обозначенная крестиком) для низкого разрешения естественна / не требует тонкой настройки (
В случае с тонкой настройкой начальные точки теорий, воспроизводящих Стандартную модель (то есть согласующихся с наблюдениями), должны располагаться близко друг к другу. Это небольшое расстояние соответствует неприглядно маленьким числам, обсуждавшимся нами выше, таким как масса бозона Хиггса.
В следующей подглавке я кратко расскажу о законах пространства, времени и материи, уже нами открытых, и о типе экспериментов, выявивших эти законы. Если вы уже знакомы со Стандартной моделью и согласованной космологической моделью, вы, возможно, предпочтете пропустить этот раздел.
Орудия труда
В 1858 году ирландско-американский писатель Фитц Джеймс О’Брайен придумал идеальный микроскоп. В рассказе «Бриллиантовая линза» безумный микроскопист Линли общается с духом Антони ван Левенгука, который за двести лет до этого открыл бактерии, совершенствуя самые первые микроскопы 52. Всю жизнь Левенгук скрывал свои методы изготовления линз. Но благодаря помощи медиума, мадам Вульпес, Линли узнает от покойного Левенгука, что необходим «бриллиант в сто сорок карат, длительное время подвергавшийся влиянию электромагнитных токов», чтобы сконструировать микроскоп, «увеличительная способность которого будет ограничена только разрешаемостью объекта».
Не имея достаточного финансирования для своих научных исследований, Линли убивает друга и крадет нужный бриллиант. Позже он вглядывается в каплю воды:
Время покажет, так ли прекрасна природа на самых коротких расстояниях, как изобразил О’Брайен, но мы уже знаем, что его чудесный микроскоп останется художественным вымыслом. Разрешающая сила линз зависит от посредника, на которого они полагаются, – от излучения. Большие длины волн нечувствительны к малым расстояниям, как грубые, тяжелые ботинки нечувствительны к бороздкам на ступенях эскалатора. Разрешающая способность микроскопов ограничена длиной волны используемого излучения, и для того, чтобы исследовать меньшие расстояния, нам нужны более короткие волны.
Видимый свет имеет длины волн примерно от 400 до 700 нанометров[36]. Это приблизительно в 10 000 раз больше размера атома водорода. Поэтому видимый свет прекрасно подходит, если мы хотим изучать клетки, но его недостаточно, если мы намереваемся исследовать атомы. Мы можем достичь большего разрешения, используя излучение с меньшими длинами волн, например рентгеновские лучи, которые улучшают ситуацию по сравнению с видимым светом в 100–10 000 раз. Однако еще более коротковолновое излучение становится все труднее фокусировать и все сложнее с ним обращаться.
Чтобы еще улучшить разрешение, мы вынуждены обратиться к главному уроку квантовой механики: на самом деле нет волн и частиц. Вместо этого все во Вселенной (включая, насколько мы знаем, и ее саму) описывается волновой функцией, имеющей свойства как частиц, так и волн. Иногда эта волновая функция проявляется больше как волна, иногда – больше как частица. Но по своей сути она ни то ни другое – это новая самостоятельная категория.
Стало быть, строго говоря, нам не следует вообще произносить «элементарные частицы», потому-то один из моих профессоров и предложил вместо этого называть их «элементарными сущностями». Но это выражение никто не использует, и я тоже не хочу им вас мучить. Просто помните, что, когда бы физики ни упоминали частицы, они на самом деле имеют в виду математический объект, который зовется волновой функцией и не является ни частицей, ни волной, обладая свойствами обоих.
Волновая функция сама по себе не соответствует наблюдаемой величине, но по ее абсолютному значению мы можем вычислять вероятности для измерения физических наблюдаемых. Это лучшее, что мы можем сделать в квантовой теории: кроме особых случаев, результат отдельного измерения предсказать нельзя.
Квантовая теория помогает нам улучшить разрешение микроскопов, поскольку показывает, что чем тяжелее частица (сущность?) и чем быстрее она движется, тем меньше ее длина волны. Поэтому электронные микроскопы, в которых используются пучки электронов вместо света, достигают гораздо более высокого разрешения, чем световые. Даже если электроны разогнаны лишь умеренно благодаря использованию электрических и магнитных полей, такие микроскопы способны разрешать структуры размером с атом. В принципе, мы можем улучшить разрешение насколько угодно, еще сильнее разгоняя электроны. В этом главная причина того, что современная физика побуждает к конструированию все больших и больших ускорителей частиц и движима им сама: чем выше энергия столкновения, тем меньшие расстояния можно исследовать.
В отличие от световых микроскопов, в которых установлены зеркала и линзы, в ускорителях частиц используются электрические и магнитные поля, чтобы разгонять и фокусировать пучки электрически заряженных частиц. Однако по мере того, как мы увеличиваем скорость частиц, нужных для исследования некоего объекта, становится все труднее получать из измерения информацию. Это происходит потому, что частицы, предназначавшиеся для измерения исследуемого образца, начинают заметно его менять. Видимый свет, падающий на колечко лука, слабо на него влияет, разве что самую малость нагреет. Но пучок стремительных электронов, бьющих по тонкой мишени, при достаточно высокой энергии эту мишень разрушает. Тогда информацию о том, что произошло на очень коротких расстояниях, приходится искать в осколках. И это в целом и есть физика высоких энергий: попытки извлечь информацию из осколков от столкновений[37].
Расстояние, которое удается разрешить с помощью ускорителей, обратно пропорционально суммарной энергии сталкивающихся частиц. Хорошая подсказка для запоминания: энергия в 1 ГэВ (это 109 эВ, или 10–3 ТэВ, примерно масса протона) соответствует разрешенному расстоянию приблизительно в 1 фемтометр (10–15 м, примерно размер протона). Увеличение энергии на порядок означает уменьшение расстояния на порядок, и наоборот. Большой адронный коллайдер может достигать энергии столкновения максимально около 10 ТэВ. Это соответствует примерно 10–19 метра, самому короткому расстоянию, на котором мы когда-либо исследовали законы природы – пока.
Задача физиков-теоретиков – найти уравнения, которые точно описывают результаты столкновения частиц. Когда расчеты совпадают с экспериментальными данными, мы обретаем уверенность в теории. Когда физики-теоретики лучше понимают столкновения частиц, экспериментаторы могут проектировать более эффективные детекторы. А когда экспериментаторы лучше понимают технологию ускорителей, теоретики получают более надежные данные.
Эта стратегия была потрясающе успешна и дала нам Стандартную модель физики элементарных частиц, наши лучшие на настоящий момент знания об элементарных строительных блоках материи.
Стандартная модель
Стандартная модель основана на принципе под названием «калибровочная симметрия». Согласно этому принципу, каждая частица имеет направление в некоем внутреннем пространстве, как стрелка в компасе, только стрелка эта не указывает на что-либо видимое нам.
«Что за внутреннее пространство?» – спросите вы. Хороший вопрос. Лучший ответ, который я могу предложить: удобное. Мы изобрели его, чтобы количественно характеризовать наблюдаемое поведение частиц, это математический инструмент, помогающий нам делать предсказания.
«Ясно, но оно реально?» – хочется вам узнать. О-оу. Смотря кому вы зададите этот вопрос. Некоторые мои коллеги действительно верят, что математика наших теорий, как эти внутренние пространства, реальна. Лично я предпочитаю просто говорить, что она описывает реальность, оставляя открытым вопрос о том, реальна или нет сама математика. Связь математики с реальностью – это загадка, не дававшая покоя философам еще задолго до того, как ею занялись ученые, и с тех пор мы нисколько не продвинулись. Но к счастью, мы можем использовать математику, не разрешая этой загадки.
Итак, всякая частица имеет направление в своем внутреннем пространстве. То, что мы называем калибровочной симметрией, требует, чтобы законы природы не зависели от ярлыков, используемых нами для обозначения этого пространства, – например, мы могли бы изменить компас таким образом, чтобы стрелка указывала на северо-запад вместо севера. После такого изменения «северная» частица могла бы превратиться в комбинацию других частиц, став, скажем, «северо-западной». И это на самом деле происходит с электроном: преобразование в его внутреннем пространстве может заставить электрон превратиться в комбинацию электрона и нейтрино. Но если такое преобразование является симметрией, то трансформация частиц не должна менять физику. Стало быть, требование симметрии ограничивает возможные законы, которые мы можем записать. Логика тут как при раскрашивании мандалы. Если вы хотите, чтобы при раскрашивании соблюдалась симметрия узора, опций у вас будет меньше, чем если бы вы игнорировали симметрию.
Что касается законов природы, требование симметрии выполнить непросто. Серьезное затруднение состоит в том, что повороты внутреннего пространства могут различаться в разные моменты времени и в разных местах, и это тоже не должно отражаться на законах, которым подчиняются частицы. Если мы формулируем это требование симметрии в математической форме, то видим, что оно жестко ограничивает поведение частиц. Взаимодействие между частицами, подчиняющимися требованию симметрии, должно происходить при посредничестве другой частицы, чьи свойства определяются типом вовлеченной симметрии. Эта дополнительная частица называется калибровочным бозоном симметрии.
Предыдущий абзац в сжатой форме выражает математически сложные построения, и с подобной лаконичностью изложения вы получите только очень грубое представление о том, как это работает. Но главная идея такова: если мы хотим создать теорию, в которой соблюдается определенная симметрия, то это неизбежно порождает определенный тип взаимодействия между частицами, подчиняющимися этой симметрии. Более того, требование симметрии автоматически добавляет в теорию и необходимых переносчиков взаимодействия – калибровочные бозоны. Именно этот тип калибровочной симметрии лежит в основе Стандартной модели.
Примечательно, что Стандартная модель почти целиком работает с подобными принципами симметрии. Она объединяет электромагнитное взаимодействие с сильным ядерным (ответственным за сохранение целостности атомного ядра в противовес электрическому отталкиванию) и слабым ядерным (ответственным за радиоактивный распад). Для этих трех взаимодействий есть три калибровочных симметрии, и все частицы характеризуются тем, как симметрия на них воздействует. (Я говорила, что нас больше интересуют идеи, а не частицы, но, так как измеряем мы именно частицы, краткий ликбез я даю в Приложении А и в обобщающей таблице на рис. 6.)
Рис. 6. Стандартная модель физики элементарных частиц
Стандартная модель – это изящный конструкт абстрактной математики, квантовой теории поля с калибровочными симметриями. Раньше я думала, что произвожу впечатление высокообразованной, когда произношу это. Но потом заметила, что непонятное имеет тенденцию навлекать на себя подозрение. Как это мы так уверены, что все состоит лишь из двадцати пяти частиц, если не можем увидеть большинство из них?
Ответ предельно прост. Мы используем всю эту математику, чтобы просчитать результаты экспериментов, и эти вычисления корректно описывают наблюдения. Вот как мы узнаем, что теория работает. Собственно, это же мы и подразумеваем под словами «теория работает». Да, это абстрактно, но то, что мы видим только показания детекторов, а не сами частицы, – не имеющее значения неудобство. Единственное, что имеет значение: математика дает правильные результаты.
То, что Стандартная модель есть вид квантовой теории поля, звучит страшнее, чем есть на самом деле. Поле приписывает значение каждой точке пространства в каждый момент времени. Например, интенсивность сигнала вашего мобильного телефона образует поле. Когда мы называем поле квантовым, мы подразумеваем, что поле на самом деле описывает наличие частиц, а частицы – как мы уже обсуждали – суть квантовые сущности. Квантовое поле как таковое говорит вам, с какой вероятностью вы можете обнаружить определенную частицу в том или ином месте в то или иное время. А уравнения квантовой теории поля подсказывают, как это вычислить.
Вдобавок к калибровочным симметриям Стандартная модель также использует симметрии, открытые Альбертом Эйнштейном в его специальной теории относительности. Согласно Эйнштейну, три пространственных измерения и временно́е должны быть объединены в четырехмерное пространство-время и с пространством и временем нужно обращаться одинаково. Следовательно, законы природы (1) не должны зависеть от того, где и когда вы их измеряете, (2) не должны изменяться при пространственных вращениях, (3) не должны изменяться при четырехмерных вращениях в пространстве-времени.
Пространственно-временные вращения звучат нездоро́во, но на самом деле это просто изменения скорости. Вот почему научно-популярные книги о специальной теории относительности полны космических кораблей и спутников, пролетающих друг мимо друга. Но в действительности все это ненужные декорации. Специальная теория относительности вытекает из трех типов симметрии, перечисленных выше, без всяких там близнецов в космических кораблях, лазерных часов и прочего. Еще оттуда следует, что для всех наблюдателей скорость безмассовых частиц (таких как фотоны, переносчики света) одинакова и ничто не в состоянии превысить эту скорость. Иными словами, ничто не может двигаться быстрее света[38].
Калибровочные симметрии и симметрии специальной теории относительности определяют бо́льшую часть структуры Стандартной модели, но у последней есть некоторые особенности, которые мы не сумели (пока?) объяснить симметриями. Например, одна из таких особенностей состоит в том, что фермионы бывают трех поколений, представляющих из себя наборы похожих частиц со все возрастающими массами (фермионы первого поколения – самые легкие, третьего – самые тяжелые, второго – посередине). Другая необъясненная особенность: фермионы каждого типа бывают двух разновидностей – их называют левыми и правыми, – представляющих собой зеркальные отражения друг друга. Кроме нейтрино, правой разновидности которых никто никогда не видел. Мы подробнее обсудим, что еще не так со Стандартной моделью, в четвертой главе.
Разработка Стандартной модели началась в 1960-х годах и по большей части была завершена к концу 1970-х. Помимо фермионов и калибровочных бозонов в Стандартной модели есть еще только одна частица – бозон Хиггса, придающий массу остальным элементарным частицам[39]. Стандартная модель работает и без хиггсовского бозона, просто она тогда не описывает реальность, ибо все частицы оказываются безмассовыми. Поэтому-то Шелдон Глэшоу однажды очаровательнейшим образом назвал бозон Хиггса «отхожим местом» Стандартной модели, придуманным с определенной целью, а не для красоты 53.
Поделиться книгой: