Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной - Леонард Сасскинд

Замена чего бы то ни было на его зеркальное отражение называется зеркальной симметрией, или чётностью. Последствия зеркального отражения, в принципе, очевидны, но давайте повторим ещё раз одну важную вещь: если всё в мире заменить на его зеркальное отражение, то поведение этого мира никоим образом не изменится и не будет отличаться от поведения нашего мира.

В действительности зеркальная симметрия не является точной. Она представляет собой хороший пример нарушенной симметрии. Что-то приводит к тому, что зеркальное отражение нейтрино оказывается во много раз тяжелее оригинала. Это относится и ко всем остальным частицам, хотя и в гораздо меньшей степени. Похоже на то, что великое мировое зеркало слегка кривое, оно немного искажает отражение. Но это искажение настолько незначительно, что практически не отражается на обычной материи. А вот в поведении высокоэнергетических частиц в зеркальном мире могут произойти весьма существенные изменения. Однако давайте до поры до времени делать вид, что зеркальная симметрия в природе является точной.

Что мы имеем в виду, когда говорим, что между частицами существует отношение симметрии? В двух словах, это означает, что у частицы каждого типа существует партнёр или близнец с очень похожими свойствами. Для зеркальной симметрии это означает, что если законы природы допускают существование левой перчатки, то возможно и существование правой. Установление факта существования D-глюкозы означает, что должна существовать и L-глюкоза. И если зеркальная симметрия не будет нарушена, то же самое должно касаться и всех элементарных частиц. У каждой частицы должен существовать близнец, идентичный ей с точностью до зеркального отражения. При зеркальном отражении человека каждая элементарная частица, составляющая его тело, заменяется её зеркальным близнецом.

Антивещество представляет собой ещё один вид симметрии, называемый симметрией зарядового сопряжения. Поскольку симметрия предполагает замену всего на его симметричный аналог, симметрия зарядового сопряжения предполагает замену каждой частицы её античастицей. Она меняет положительные электрические заряды, например протоны, на отрицательные, в данном случае антипротоны. Аналогично отрицательно заряженные электроны заменяются положительно заряженными позитронами. Атомы водорода заменяются атомами антиводорода, состоящими из позитронов и антипротонов. Подобные атомы действительно получены в лабораториях, правда, в очень небольшом количестве, недостаточном даже для того, чтобы построить из них антимолекулы. Но никто не сомневается в том, что антимолекулы возможны. Точно так же возможны и антилюди, но не забывайте, что кормить их придется антипищей. На самом деле лучше держать антилюдей и обычных людей подальше друг от друга. Когда вещество встречается с антивеществом, они взаимоуничтожаются, превращаясь в фотоны. Взрыв, который произойдёт, если вы случайно пожмёте руку античеловеку, будет посильнее взрыва водородной бомбы.

Как выяснилось, симметрия зарядового сопряжения также является слегка нарушенной. Но, как и в случае с зеркальной симметрией, эффект от этого нарушения оказывается совершенно незначительным, если не принимать в расчёт частицы очень высоких энергий. Теперь вернёмся к фермионам и бозонам. Исходная, самая первая теория струн, которую разработали мы с Намбу, называется теорией бозонных струн, потому что все описываемые ею частицы являются бозонами. Она не вполне подходит для описания адронов, ведь, в конце концов, протон – это фермион. Точно так же она не годится и на роль теории всего. Электроны, нейтрино, кварки – все являются фермионами. Но прошло совсем не много времени, и появилась новая версия теории струн, которая уже содержала не только бозоны, но и фермионы. И одним из замечательных математических свойств этой так называемой теории суперструн была суперсимметрия – симметрия между бозонами и фермионами, требующая, чтобы у каждого фермиона существовал близнец-бозон, обладающий точно такими же свойствами, и наоборот.

Суперсимметрия оказалась незаменимым и чрезвычайно мощным математическим инструментом для струнных теоретиков. Без него математика оказывается настолько сложной, что установить факт согласованности теории очень трудно. Почти все заслуживающие доверия теории, претендующие на описание реального мира, являются суперсимметричными. Но, как я уже подчеркнул, суперсимметрия в природе не является точной симметрией. В лучшем случае это довольно сильно нарушенная симметрия, напоминающая отражение мира в чрезвычайно кривом зеркале. До сих пор ни для одной из известных элементарных частиц не обнаружено суперпартнёра. Если бы в природе существовал бозон с такими же массой и зарядом, как у электрона, он бы уже давно был открыт. Тем не менее если вы откроете веб-браузер и поищете в интернете статьи по физике элементарных частиц, вы обнаружите, что начиная с середины 1970-х годов в подавляющем числе работ так или иначе используется суперсимметрия. Почему? Почему теоретики до сих пор не выбросили суперсимметрию в мусорную корзину вместе с теорией суперструн? Тому есть несколько причин.

Предмет, который когда-то назывался высокоэнергетической теоретической физикой элементарных частиц, давно уже разделился на две дисциплины: теоретическую и феноменологическую. Если вы введёте в адресной строке своего браузера URL http://arXiv.org, то попадёте на сайт, где физики публикуют препринты своих статей. Различные дисциплины подразделяются там на ядерную физику, физику конденсированных сред и т. д. Если вы перейдёте в раздел высокоэнергетической физики (hep), то найдёте там два отдельных архива: один (hep-ph) содержит феноменологические, а второй (hep-th) – теоретические и математические статьи. Заглянув в эти архивы, вы увидите, что раздел hep-ph содержит статьи по вопросам традиционной физики элементарных частиц, содержащие либо результаты проведённых, либо описание планируемых экспериментов. Обычно в этих статьях присутствует большое количество таблиц и графиков. В противоположность этому, в разделе hep-th присутствуют по большей части статьи по теории струн и гравитации. Они полны математических выкладок и имеют очень слабое отношение к экспериментам. Однако в последние годы границы между этими двумя дисциплинами всё сильнее размываются, что, на мой взгляд, является хорошим знаком.

Но в обоих разделах большинство статей так или иначе имеют отношение к суперсимметрии. У представителей каждого имеются на то собственные резоны. Для чистых теоретиков таким резоном является математика – использование суперсимметрии приводит к потрясающему упрощению математических выкладок и позволяет получать решение задач, разобраться с которыми другими методами было бы невероятно трудно. Помните, в главе 2 я говорил о том, что космологическая постоянная будет в точности равна нулю, если у всех частиц будут суперсимметричные партнёры? Это одно из математических чудес, появляющихся в суперсимметричных теориях. Мне не хотелось бы тут их описывать, но главное то, что суперсимметрия настолько упрощает расчёты в квантовой теории поля и теории струн, что теоретикам становятся доступны такие вещи, которые в противном случае они вряд ли смогли бы вывести. И пусть реальный мир не суперсимметричен, но суперсимметрия позволяет понять некоторые из существующих явлений, например чёрные дыры. Любая теория, включающая гравитацию, описывает и чёрные дыры. Они обладают парадоксальными и таинственными свойствами, о которых мы поговорим позже. Возможные варианты разрешения этих парадоксов слишком сложны для проверки в обычных теориях. И тут, словно по волшебству, существование суперпартнёров делает изучение чёрных дыр необычайно простым. Особенно ценно это упрощение для струнных теоретиков. Математика теории струн, как это сейчас принято, почти полностью полагается на суперсимметрию. Даже многие старые квантово-механические расчёты поведения кварков и глюонов существенно упрощаются при добавлении суперпартнёров. Суперсимметричный мир – это не реальный мир (по крайней мере, в нашей карманной Вселенной), но этот мир достаточно близок к нашему, чтобы извлечь из его изучения множество уроков относительно гравитации и физики элементарных частиц.