На лужайке Эйнштейна. Что такое НИЧТО, и где начинается ВСЕ - Аманда Гефтер

– Давай просто перечислим все, что могло бы быть реальным, и после этого мы рассмотрим их более детально. Давай посмотрим… пространство, время, пространство-время, гравитация, электромагнетизм, ядерные взаимодействия, масса, энергия, импульс, момент импульса, заряд… что еще?

– А как насчет количества измерений? – спросил отец. Я записала на салфетке и это.

– Или элементарные частицы? Мы ведь должны предположить, что элементарные частицы тоже реальны, верно?

– Если только они не струны, – сказала я.

– Ну, частицы – это возбужденные состояния поля, поэтому частицы нельзя отделить от полей. А поля определены в вакууме.

Я кивнула, добавив их в список. Частицы/поля/вакуум. Струны.

– Как насчет Вселенной? Я надеюсь, что она реальна. Может быть, она подходит нам по умолчанию?

Отец покачал головой:

– Ничто в физике не делается по умолчанию.

Я добавила Вселенную в список. И, немного подумав, добавила мультивселенную тоже.

– Скорость света, – сказал отец, указывая на список и одновременно сделав глоток кофе. – Это однозначно инвариант.

Я записала: «Скорость света».

– Бостром сказал бы, что мы должны рассмотреть реальность самой реальности, – сказала я. – Но боюсь, что добавление ее в этот список может отправить нас в своеобразную бесконечную башню, построенную из черепах.

– Пропустим, – кивнул он. – Это как рассматривать пирожное в качестве ингредиента самого пирожного.

– Итак, давай посмотрим, – сказала я, переворачивая салфетку, чтобы мы могли оба читать список. – Исходя из теории относительности, мы можем поставить крест на пространстве и времени. И то и другое зависит от наблюдателя.

– Можно вычеркнуть гравитацию, – сказал папа. – И все другие взаимодействия. Все они фиктивны. Как насчет массы? Масса – это инвариант, верно? По крайней мере, масса покоя?

Я сделала глоток кофе и покачала головой:

– Это не так. Масса покоя – это инвариант в специальной теории относительности, но в общей теории относительности она не определена. Для того чтобы ее определить, нам придется нарушить принцип общей ковариантности: мы должны будем определить координатную ось времени, а это приведет к выделенной системе отсчета. Масса определяется только относительно конкретной системы отсчета, и поскольку соотношение E = mc2 связывает массу с энергией, то же самое касается и энергии. И масса и энергия зависят от системы отсчета наблюдателя.

Я вычеркнула их из списка.

– Импульс и угловой момент определяются через массу, так что они тоже становятся зависимыми от наблюдателя в рамках общей теории относительности.

– Даже в квантовой теории поля масса изменяется в зависимости от масштаба, – сказал отец. – В зависимости от разрешении, с которым она измеряется.

Я кивнула.

– Стандартная модель говорит, что все частицы в конечном счете безмассовые – масса возникает как следствие нарушения симметрии или структуры вакуума при низких энергиях или при взаимодействии с бозоном Хиггса. При достаточно высоких энергиях массы исчезают.

– Мы должны добавить бозон Хиггса в список?

– Я думаю, частицы/поля/вакуум включают его.

– Ладно, – сказал отец, переходя вниз к следующей позиции на салфетке. – А что насчет заряда? Зарядовая четность ведь нарушается в некоторых видах слабого ядерного распада?

– Да, – сказала я. – Она сохраняется, только когда мы используем ее одновременно вместе с пространственной четностью и отражением времени. Но CPT-инвариантность – это просто Лоренц-инвариантность. Лоренц-инвариантность сохраняет пространственно-временные интервалы. Так что нам нужно сохранить пространство-время в списке.

– Мы можем вычеркнуть спин, – сказал отец. – Суперсимметрия показывает, что то, что представляется как бозон в одной системе, выглядит как фермион в другой.

Это был хороший аргумент. Обычно легко отличить бозоны, переносчики взаимодействия, которые обладают целочисленным спином, и фермионы, или частицы материи, которые несут полуцелый спин: просто поверните частицу на 360 градусов, и если она будет выглядеть точно так же, как и до вращения, то это бозон. Если же амплитуда ее волновой функции окажется перевернутой и вы должны повернуть ее второй раз, в сумме на семьсот двадцать градусов, чтобы она выглядела точно так же, как вначале, то это фермион.

Чтобы превратить фермион в бозон и наоборот, необходимо некоторым способом преобразовать амплитуду его волновой функции. Вы можете это сделать, если добавите несколько дополнительных измерений. Не пространственных измерений, а математических. При вращении частицы в дополнительных измерениях положительная амплитуда станет отрицательной, а отрицательная амплитуда положительной[30], целый спин – полуцелым, и наоборот. В многомерном суперпространстве бозоны и фермионы идентичны. В обычном пространстве они – разные тени одного и того же куска картона, их различие зависит от системы отсчета, в которой они рассматриваются.

– Мы принимаем суперсимметрию? – спросила я.

Экспериментальных подтверждений суперсимметрии пока нет. Если бы реальность действительно была суперсимметричной, у каждого бозона был бы свой партнер-фермион, и наоборот. В каждой паре частицы-партнеры были бы идеальной копией друг друга, но только подчинялись бы противоположной статистике. Физики с нетерпением ждут начала охоты на такие суперсимметричные пары при помощи Большого адронного коллайдера около Женевы, но ускоритель еще не начал свою работу. Суперсимметрия остается теорией[31].

Отец пожал плечами:

– Есть веские теоретические основания в нее верить.

Это правда. Одно из них заключалось в том, что в суперсимметричном вакууме все фундаментальные взаимодействия могут быть объединены. Мы видим мир холодным, энергии частиц в нем низки, и сильное взаимодействие в 100 раз сильнее электромагнитного, а слабое – в 100 миллиардов раз слабее. Но при нагревании вакуума относительные силы взаимодействий начинают изменяться. Вакуум ослабляет хватку кварков – сильное взаимодействие ослабевает. В то же время электромагнитные и слабые силы крепнут. Продолжая нагрев, можно приблизить все три силы к одному и тому же значению. При температуре около 1016 миллиардов электрон-вольт электромагнитные и слабые силы сливаются в единое электрослабое взаимодействие, но сильное взаимодействие все еще остается немного более сильным. Но в рамках суперсимметичных моделей ситуация меняется, силы объединяются в одной точке, и все три взаимодействия оказываются проявлениями единой фиктивной суперсилы.