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

В наших единых теориях мы работаем с гораздо большими группами симметрии, чем группа Центральной теории SU (3) × SU (2) × × U (1), например с SO (10). Большая симметрия предоставляет больше возможностей для преобразований среди различных видов зарядов и больше видов глюон/фотон/W, Z−подобных калибровочных частиц, которые эти преобразования реализуют.

Дополнительные калибровочные частицы способны делать то, что редко, если вообще когда-либо, случается в реальности. Например, преобразуя единицу слабого цветного заряда в единицу сильного цветного заряда, мы можем превратить кварк в лептон или антикварк. Кредитный счет полон таких возможностей. Поэтому мы можем легко генерировать, например, распад:

p —> e ++ γ

протонов на позитроны и фотоны. Если бы этот распад произошел со скоростью, примерно соответствующей скорости обычного слабого взаимодействия, то это заняло бы небольшую долю секунды. У нас были бы серьезные проблемы, поскольку наши тела быстро испарились бы в электронно-позитронную плазму.

Мы можем подавлять нежелательные процессы, сохраняя при этом основополагающую унифицирующую симметрию и используя новый слой сверхпроводимости Сетки. Тогда по мере продвижения от очень малых до больших расстояний мы обеспечим уменьшение активных (неподавленных) полей согласно:

SO (10) —> SU (3) × SU (2) × U (1) —> SU (3) × U (1).

Второй шаг представляет собой то, что мы уже получили в рамках Центральной теории.

Для первого шага нам нужны гораздо более эффективные сверхтоки Сетки. Они должны мощно подавлять нежелательные сильные <���—> слабые преобразования цветовых зарядов. Конечно, это означает, что сами сверхтоки являются потоками, включающими как сильные, так и слабые цветовые заряды.

Ни одна из известных форм материи не может обеспечить таких сверхтоков. С другой стороны, легко изобрести новые поля наподобие хиггсовского, которые способны справиться с этой работой. Люди играли и с другими идеями. Может быть, эти токи возникают из-за частичек, мечущихся в дополнительных крохотных свернутых пространственных измерениях. Возможно, это вибрации струн, обернутых вокруг крошечных свернутых пространственных измерений. Поскольку концентрированные энергии, необходимые для исследования таких малых расстояний, выходят далеко за пределы того, что мы можем достичь на практике, эти догадки проверить нелегко.

К счастью, как и в Центральной теории электрослабого взаимодействия, мы можем добиться многого, приняв сверхтоки как данность и не придумывая гипотез о том, из чего они состоят. Я прибег к этой философии в третьей части данной книги. Это позволило нам достичь некоторых обнадеживающих успехов и сделать некоторые конкретные предположения. Если эта идея переживет дальнейшие проверки, мы сможем с уверенностью утверждать, что живем внутри многослойного многоцветного космического сверхпроводника.

Савас Димопулос всегда бывает захвачен какой-нибудь идеей, и весной 1981 года это была суперсимметрия. Он посетил новый Институт теоретической физики в Санта-Барбаре, сотрудником которого я недавно стал. Мы моментально нашли общий язык — он был полон диких идей, а мне нравилось напрягать мозг, пытаясь отнестись к некоторым из них серьезно.

Суперсимметрия была (и остается) прекрасной математической идеей. Проблема ее применения заключается в том, что она слишком хороша для этого мира. Мы просто не находим частиц того типа, который она прогнозирует. Например, мы не видим частиц с тем же зарядом и массой, что и электроны, но с другим значением спина.

Однако принципы симметрии, которые могли бы помочь объединить фундаментальную физику, трудно найти, поэтому физики-теоретики не откажутся от них просто так. Основываясь на предыдущем опыте с другими формами симметрии, мы разработали резервную стратегию, называемую спонтанным нарушением симметрии. При этом подходе мы постулируем, что фундаментальные уравнения физики имеют симметрию, а стабильные решения этих уравнений ее не имеют. Классический пример данного явления имеет место в обычном магните. В основных уравнениях, описывающих физику куска железа, любое направление эквивалентно любому другому, но кусок железа превращается в магнит с некоторым определенным, направленным к северу полюсом.

Простой и знакомый пример спонтанного нарушения симметрии связан с левосторонним и правосторонним дорожным движением. Не важно, по какой именно стороне улицы едут машины — главное, чтобы все ехали по одной и той же стороне. Если большинство едут по левой стороне, но кто-то — по правой, то возникает нестабильная ситуация. В таком случае симметрия между правой и левой стороной улицы оказывается нарушена. Разумеется, в разных вселенных (назовем их «Великобритания» и «США»), ситуация может отличаться.

Исследование возможностей, открываемых спонтанно нарушаемой суперсимметрией, требует построения модели — творческой деятельности, связанной с предложением уравнений-кандидатов и анализом их последствий. Построение моделей со спонтанно нарушаемой суперсимметрией, которые согласуются со всем остальным, что мы знаем о физике, — это сложное дело. Даже если вам удастся обеспечить нарушение симметрии, лишние частицы никуда не денутся (только станут тяжелее) и будут наносить разнообразный вред. Я попробовал свои силы в создании моделей, когда идея суперсимметрии была впервые разработана в середине 1970-х годов, но сдался после нескольких неудачных попыток.

Савас был гораздо более одаренным в плане построения моделей в двух важнейших отношениях: он не настаивал на простоте и не сдавался. Когда я определил конкретную проблему (назовем ее A), которая не была затронута в его модели дня, он сказал: «Это не настоящая проблема, я уверен, что смогу решить ее», а на следующий день он приходил с более сложной моделью, в которой проблема А была решена. Тогда мы обсуждали проблему Б, и он решал ее с помощью совершенно другой сложной модели. Для решения проблем A и Б вы должны были соединить две модели, придя к проблеме В, и вскоре все становилось невероятно сложным. Прорабатывая детали, мы находили какой-нибудь изъян. На следующий день Савас приходил очень взволнованным и счастливым с еще более сложной моделью, которая исправляла изъян, найденный накануне. В конце концов, мы устраняли все недостатки, используя доказательство методом исчерпания — любой, включая нас, кто попытался бы проанализировать модель, исчерпал бы все силы, прежде чем понял ее достаточно хорошо, чтобы найти в ней изъяны.

Когда я попытался подготовить нашу работу к публикации, у нас возникло определенное чувство нереальности и смущения из-за сложности и своевольности того, что мы придумали. Саваса это не устрашило. Он даже утверждал, что некоторые существующие идеи об объединении с использованием калибровочной симметрии, которые мне казались действительно продуктивными, на самом деле не были такими уж элегантными, если вы пытались быть реалистом и подробно их проработать. Фактически он разговаривал с другим коллегой, Стюартом Раби, о попытках улучшения этих моделей за счет включения суперсимметрии! Я скептически относился к этому «улучшению», поскольку был уверен, что дополнительная сложность, связанная с добавлением суперсимметрии, сведет на нет существующий успех калибровочной симметрии в плане объяснения относительных значений сильных, электромагнитных и слабых констант связи. Мы втроем решили произвести вычисления с целью оценить сложность ситуации. Чтобы сориентироваться и сделать определенный расчет, мы начали с того, что проигнорировали всю проблему нарушения суперсимметрии. Это позволило нам использовать очень простые (но явно не реалистичные) модели.