Фрэнк Вильчек - Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил

Существует еще одна многообещающая идея о том, что собой представляет темная материя, которая возникает из другого предложения по улучшению уравнений физики. Как мы уже говорили, КХД в глубоком и буквальном смысле является воплощением симметрии. Существует почти идеальное соответствие между наблюдаемыми свойствами кварков и глюонов и наиболее общими свойствами, допускаемыми цветовой калибровочной симметрией, в рамках специальной теории относительности и квантовой механики. Единственное исключение состоит в том, что установленные симметрии КХД не могут запретить поведение, которое не наблюдается. Установленные симметрии допускают некоторое взаимодействие между глюонами, нарушающее инвариантность уравнений КХД при изменении направления времени. Эксперименты серьезно ограничивают возможную силу этого взаимодействия. Эти пределы являются намного более жесткими по сравнению с тем, что можно было бы ожидать при случайном возникновении.

Центральная теория не объясняет это «совпадение». Роберто Печчеи и Хелен Куинн нашли способ расширить уравнения, который мог бы его объяснить. Стивен Вайнберг и я независимо друг от друга показали, что расширенные уравнения предсказывают существование новых, очень легких, очень слабо взаимодействующих частиц, называемых аксионами. Аксионы также являются серьезными кандидатами на то, чтобы считаться ответственными за происхождение космологической темной материи. В принципе, их можно наблюдать различными способами. Хотя ни один из них не является легким, поэтому охота продолжается.

Возможно также, что обе идеи правильны и оба вида частиц вносят вклад в общее количество темной материи. Было бы здорово, не правда ли?

Объединение сил Центральной теории создает большую симметрию, а большая симметрия создает дополнительные силы. Мы постулируем второй, более жесткий слой космической сверхпроводимости, чтобы объяснить, как подавляются дополнительные силы, которые мы не наблюдали [59] Более подробное описание этой темы вы можете найти в приложении Б. — Примеч. авт. . Однако мы не хотим подавлять их полностью. В масштабах объединения — на высоких уровнях энергии, или, что то же самое, на коротких расстояниях — и за их пределами эти новые взаимодействия объединены с компонентами Центральной теории и обладают такой же силой.

Квантовые флуктуации — виртуальные частицы, которые достигают этих необыкновенных уровней энергии, крайне редки, но они действительно происходят. Соответственно, эффекты, которые эти флуктуации катализируют, согласно предсказаниям, должны быть очень маленькими, но не нулевыми. Два из этих эффектов настолько необычны и неожиданны, что они считаются классическими признаками физики объединения.

• Нейтрино должны приобретать массу.

• Протоны должны распадаться.

Мы слышали, как упал первый ботинок. Как говорилось ранее, нейтрино действительно имеют очень малые, но ненулевые массы. Наблюдаемые значения этих масс в целом соответствуют ожиданиям от объединения.

Мы ждем падения другого ботинка. Глубоко под землей гигантские фотоприемники наблюдают за огромными чанами с охлажденной водой в поисках вспышек, которые будут сигнализировать о смерти протонов. Согласно нашим оценкам скорости распада протонов, это открытие не за горами. Если так, то оно откроет еще один путь к физике объединения, возможно, самый прямой и мощный. Ибо протоны могут распадаться многими способами, а скорости для различных возможностей непосредственно отражают новые взаимодействия, возникающие в результате объединения.

Объединение взаимодействий Центральной теории — сильного, слабого и электромагнитного — в единую унифицированную теорию предполагает некоторые догадки, однако его принципы ясны. Квантовая механика, специальная теория относительности и (локальная) симметрия прекрасно сочетаются друг с другом. Как мы видели, используя их, мы можем сделать определенные предложения для экспериментального исследования, включая количественные оценки прогнозируемых эффектов.

Мы также видели, что объединение с гравитацией хорошо работает и на уровне сравнения их фундаментальной силы. Однако наши представления о единой теории отнюдь не являются конкретными. Идеи относительно теории суперструн кажутся многообещающими, однако никому еще не удалось достаточно их разработать, чтобы конкретно указать на то, каких новых эффектов следует ожидать. Какие ботинки упадут при объединении с гравитацией? Можем ли мы надеяться на то, что услышим звук их падения? Это тоже вопрос на будущее.

Сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу и развлекающимся тем, что до поры до времени отыскиваю камешек более цветистый, чем обыкновенно, или красивую раковину, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным. (Исаак Ньютон)

Преодолев третий пик, мы достигли естественной точки привала. Пришло время отдохнуть, оглянуться назад и осмотреть пейзаж.

Глядя на долину повседневной реальности, мы воспринимаем гораздо больше, чем раньше. Под знакомым спокойствием и прочностью материи в пустом пространстве наш ум представляет себе танец замысловатых узоров в вездесущей, всеобъемлющей кипучей среде. Мы понимаем, что масса, само качество, делающее материал инертным и контролируемым, возникает из энергии кварков и глюонов, движущихся со скоростью света и вынужденных держаться вместе, чтобы защитить друг друга от ударов этой среды. Наше вещество представляет собой гул странной музыки, математической музыки, более точной и сложной, чем фуга Баха, — Музыки Сетки.

Нам кажется, что сквозь пестрые облака вдали виднеется математический Рай, в котором составляющие реальность элементы избавляются от своего несовершенства. Исправляя искажения нашего повседневного восприятия, мы пытаемся в своем сознании увидеть, какими они могут быть на самом деле: чистыми и идеальными, симметричными, равными и совершенными.

Или все наши фантазии — это просто химера? Мы наводим свой телескоп и ждем, пока облака рассеются.

Впереди лежат другие горы, вершины которых мы пока не можем различить.

Как и было обещано, я объяснил происхождение 95 % массы обычного вещества из энергии безмассовых строительных блоков, используя второй закон Эйнштейна m = E / c 2 . Теперь настало время отдать должное тому, что я не смог объяснить.

Масса электрона, хотя и составляет гораздо меньше 1 % от общей массы обычного вещества, имеет огромную важность. Величина этой массы определяет размер атомов. Если бы вы удвоили массу электрона, размер всех атомов сократился бы вдвое; если бы вы уменьшили массу электрона вдвое, все атомы увеличились бы в два раза. Кроме того, могли бы произойти и другие вещи, которые сделали бы невозможной жизнь, как мы ее знаем. Если бы электроны были тяжелее в четыре раза или около того, то им было бы выгодно объединяться с протонами, создавая нейтроны, испускающие нейтрино. Это было бы концом для химии, не говоря уже о биологии, поскольку не существовало бы ни электрически заряженных ядер, ни электронов, доступных для создания атомов и сложных молекул.