Суперсила - Пол Девис

Некоторые геофизики допускают, что нечто подобное может происходить в естественных условиях в недрах Земли. Падающие на Землю монополи замедляются в земной коре, а попав в ядро Земли, накапливаются там. Геомагнитное поле должно отводить северные полюсы к северу, а южные – к югу, препятствуя их перемешиванию. При обращении геомагнитного поля эти две популяции могут меняться местами, и при миграциях во встречных направлениях происходило бы большое число столкновений северных полюсов с южными, сопровождаемых их аннигиляцией. Высказывалось даже предположение, что этот процесс мог бы в основном объяснить внутреннее тепло Земли.

Поиски распада протона и магнитных монополей отражают угасающие надежды обнаружить хотя бы экспериментально проблески физических явлений, характерных для масштаба объединения. Отказаться от намеченных исследований было бы преждевременно, но многие физики приходят к заключению, что инициатива теперь принадлежит теоретикам. Лишь немногие физики-теоретики считают, что теории великого объединения – последнее слово науки. Но ведь ТВО преуспели в объединении лишь трех из четырех фундаментальных взаимодействий. Какие новые перспективы могут открыться, если появится единая теория в подлинном смысле слова?

Гравитация – это “белая ворона” среди других сил природы. Остальные взаимодействия имеют характер силовых полей, простирающихся в пространстве и времени, гравитация же сама представляет собой пространство и время. Общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как деформацию, искривление пространства-времени.' Это не что иное, как пустота, испытывающая возмущение.

Геометрической природе гравитационного поля, по-видимому, присуща необычайная утонченность, но именно она создает серьезные трудности при любой попытке квантового описания. На протяжении десятилетий общая теория относительности Эйнштейна не поддавалась последовательной квантовой формулировке. Несмотря на то что гравитации соответствует калибровочное поле, ее описание на языке обмена гравитонами (частицами – переносчиками гравитационного взаимодействия) дает разумные результаты только в случае простейших процессов. Камнем преткновения, как всегда, служат бесконечные члены, возникающие в уравнениях всякий раз, когда встречаются замкнутые гравитационные петли.

Проблема расходимости гравитационного поля усугубляется тем, что гравитон сам по себе несет гравитационный заряд. В этом отношении он напоминает глюон, который является переносчиком сильного взаимодействия и несет цветовой заряд. Поскольку все формы энергии, включая гравитоны, являются источником гравитации, можно утверждать, что гравитоны “гравитируют”. Это означает, что два гравитона могут взаимодействовать, обмениваясь между собой третьим гравитоном, как показано на рис. 21. Можно придумать много сложных диаграмм с обменом гравитонами, и совершенно очевидно, что число замкнутых гравитонных петель (рис. 22) быстро растет по мере того, как включаются процессы, более сложные, чем простой обмен гравитоном.

Появление бесконечной последовательности расходимостей в уравнениях гравитационного поля ныне принято считать неизбежным недостатком квантовой теории гравитации, основанной на теории Эйнштейна. Ситуация здесь напоминает положение дел со слабым взаимодействием до его объединения с электро магнетизмом. Обе теории “неперенормируемы”.

Рис. 21. Взаимодействие гравитонов. Гравитация является источником самое себя. На квантовом уровне это приводит к тому, что гравитоны (волнистые линии) могут взаимодействовать друг С другом. В таком процессе два гравитона, обмениваясь третьим, гравитационно взаимодействуют друг с другом.

Рис. 22. Способность гравитонов взаимодействовать между собой делает возможным существование процессов, которым соответствуют сложные сети гравитационных петель. Одна из таких петель изображена на рисунке. Гравитационные петли приводят к возникновению в математическом описании квантовой гравитации некомпенсируемых бесконечных членов и по существу делают теорию беспомощной.

В случае слабого взаимодействия причина была в симметрии: старая теория испытывала недостаток симметрии. Но стоило ввести в нее мощную калибровочную симметрию, как все расходимости, словно по мановению волшебной палочки, исчезли. Теоретики извлекли из этого хороший урок, и лет десять назад принялись за поиски новой симметрии, более широкой, чем ранее известные, которая избавила бы гравитацию от неперенормируемости. Так физики пришли к идее суперсимметрии.

Суть суперсимметрии связана с понятием спина в том виде, в каком оно используется в физике элементарных частиц. Когда говорят о частице со спином, имеют в виду не просто представление о крохотном шарике, вращающемся вокруг собственной оси. Кое-что о необыкновенных свойствах спина было рассказано в гл. 2. У частицы со спином происходит своего рода “раздвоение мира”, не соответствующее геометрической интуиции.

Существование спина имеет решающее значение для свойств частиц – в зависимости от спина частицы разделяются на два класса. К одному классу относятся “бозоны” – частицы, которые либо вообще не имеют спина (т.е. их спин равен 0), как, например, гипотетическая частица Хиггса, либо имеют целочисленный спин. К последним наряду с фотоном относятся W– и Z-частицы (все они имеют спин 1) и гравитон (имеющий спин 2). В том, что касается спина, поведение бозонов близко к нашим интуитивным представлениям.

Другой класс частиц образуют “фермионы”. Они имеют полуцелый спин. Все кварки и лептоны имеют спин, равный 1/2, и относятся к фермионам. Именно спином фермионов обусловлена необходимость двукратного поворота для возвращения в исходное состояние, и это бросает вызов нашему воображению.

Бозоны и фермионы существенно отличаются по своим физическим свойствам. Особенно сильно это различие проявляется в ансамблях частиц. Фермионы с полуцелым спином, как у электрона, страдают своего рода “ксенофобией”[1], не подпуская близко к себе своих двойников. В период младенчества квантовой физики Паули сформулировал свой знаменитый “принцип запрета”, согласно которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это означает, что в контейнер заданных размеров можно поместить конечное число электронов, прежде чем возникнет своеобразный “протест”. (Этот эффект не имеет ничего общего с электрическим отталкиванием. Нейтрино и нейтроны ведут себя столь же “несговорчиво”.) Принцип Паули сыграл большую роль еще на заре квантовой физики, так как позволил объяснить, почему все электроны в тяжелых атомах не переходят в состояние с наименьшей энергией, образуя хаотическое скопление. Вместо этого они в строгом порядке заполняют один за другим энергетические уровни. Без подобного порядка химия оказалась бы совершенно бесполезным занятием. Принцип Паули позволяет объяснить периодическую систему химических элементов Д. И. Менделеева.

Принцип Паули дает возможность объяснить и многое другое в окружающем нас мире, например различие между проводниками и изоляторами. В проводнике некоторые электроны, приобретая энергию от внешнего электрического поля, могут переходить на более высокие энергетические уровни. В изоляторе этого не происходит, так как все более высокие уровни заняты другими электронами. Принцип Паули помог объяснить также природу силы, препятствующей гравитационному коллапсу белых карликов и нейтронных звезд. Не будь принципа Паули, все звезды заканчивали бы свое существование как черные дыры.

В отличие от склонных к уединению фермионов бозоны стремятся быть вместе. Принцип запрета не распространяется на них, и поэтому большие ансамбли бозонов отличаются по своему поведению от “кузенов”– фермионов. Бозоны готовы тесниться и ютиться в одном и том же состоянии. Из-за подобной склонности к сотрудничеству бозоны выступают одной дружной командой, объединяя, а не парализуя усилия друг друга. Большое количество бозонов может действовать слаженно, вызывать макроскопические эффекты, которые можно непосредственно наблюдать. Например, множество фотонов, движущихся согласованно, может приводить к вполне определенным электромагнитным явлениям, например, таким, как радиоволны. Фермионы не способны на нечто подобное, так как они мешают друг другу. Именно поэтому мы никогда не наблюдаем макроскопических электронных волн, хотя каждому электрону соответствует своя волна.

Принципиальные различия в физических свойствах фермионов и бозонов приучили физиков десятилетиями хранить информацию о них в разных участках мозга. В частности, все переносчики взаимодействия —бозоны, тогда как кварки и лептоны – фермионы. Это означает, что бозоны принято ассоциировать с взаимодействием, а фермионы с веществом. Столь резкое различие между ними, вероятно, объясняет, почему у многих физиков вызвала недоумение предложенная в начале 70-х годов суперсимметрия, объединяющая бозоны и фермионы в рамках одной теории. Такое объединение напоминает вынужденный брак – столь различны по своим свойствам эти две группы частиц; тем не менее оно возможно, если обратиться к симметрии, более широкой, нежели симметрия Лоренца – Пуанкаре, лежащая в основе теории относительности. Математически суперсимметрия соответствует извлечению квадратного корня из симметрии Лоренца – Пуанкаре. Физически же она соответствует превращению фермиона в бозон и наоборот. Разумеется, в реальном мире невозможно проделать такую операцию, как невозможно, вращая “волшебную ручку”, изменять индивидуальность электрона в случае калибровочных симметрий, рассмотренных в предыдущих главах. Тем не менее операцию суперсимметрии можно сформулировать математически и можно построить теории, включающие суперсимметрию.