Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

Как же проявляются эти симметрии, чем похожи друг на друга взаимодействия? Модель, получившая довольно-таки скромное название «электрослабая», описывает сочетание электромагнетизма и слабого взаимодействия, однако если попытаться добавить в нее остальные взаимодействия, придется изменить привычной сдержанности и прибегнуть к более выспренному слогу. Теории Великого объединения описывают сочетание сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия. Если пойти еще дальше, можно выдвинуть Теорию Всего [111] Да, положа руку на сердце, подобное название больше подходит чему-то такому, что находят в чьем-то логове в горной пещере. , прибавив сюда еще и гравитацию.

Прежде чем углубиться в дебри серьезных теорий, основанных на сложных симметриях, полезно будет ненадолго отойти в сторонку и задаться вопросом, почему, собственно, мы вправе предполагать, что разные взаимодействия — это на самом деле одно и то же, если отбросить соображения эстетики.

Рассмотрим одинокий электрон в космическом вакууме. Вокруг него то возникают, то исчезают многочисленные пары частиц-античастиц. Эти виртуальные пары действуют как рябь на поверхности океана.

Хотя каждая отдельная «рябинка» живет всего мгновение, в каждый момент их очень много. Несмотря на краткость их существования в нашем мире, виртуальные позитроны притягиваются к реальному электрону, отчасти уменьшая его электрическое поле, а виртуальные электроны отталкиваются.

Представьте это себе в виде налога на продажи. Я знаю, что гамбургер за доллар должен стоить именно доллар, и так его и рекламируют, однако в Филадельфии ваш макмаффин будет стоить на самом деле 1 доллар 7 центов. Так вот, эта цена и должна вас интересовать, ведь столько вы и заплатите. В этом же смысле мы на самом деле не знаем (да нас это и не интересует), каков «беспримесный» заряд электрона — та величина, которую мы получим, если каким-то образом исключим воздействие всех виртуальных частиц.

Экранирующий эффект виртуальных частиц похож больше на купон, чем на налог (скорее снижает, чем добавляет), однако суть та же. Заряд электрона, который мы знаем и любим и значение которого можем посмотреть в справочнике, — это не настоящая цена на ценнике. Электрический заряд, который вы наблюдаете, меньше «беспримесного» заряда, который мы бы наблюдали, если бы сумели каким-то образом подойти к электрону произвольно близко.

Экранирование электрона

Разница между наблюдаемым и беспримесным зарядами помогает пролить свет на один из серьезных пробелов стандартной модели: почему у разных взаимодействий разная сила?

Если повышать энергию все больше — то есть если все ближе подбираться к беспримесному заряду, — начинаются странности. Электрическое взаимодействие становится сильнее, зато слабое взаимодействие слабеет. Экранирование работает в противоположную сторону. Вспомните, что слабое взаимодействие парадоксальным образом сильнее электромагнитного, а если со стороны все выглядит иначе, то лишь потому, что частицы W и Z так массивны. При достаточно высоких энергиях у этих взаимодействий будет совершенно одинаковая сила.

То же самое происходит и с сильным взаимодействием, только по другим причинам. Существует понятие асимптотической свободы, которое, помимо всего прочего, объясняет, почему во вселенной не наблюдаются отдельные кварки. В отличие от большинства сил, которые с увеличением расстояния слабеют, сильное взаимодействие становится все сильнее и сильнее. Если я попробую разобрать протон на составляющие его кварки и рассмотреть их по отдельности, вся энергия, которую я в это вложу, пойдет на создание новых частиц. Как ни странно, глюоны обладают в точности теми же качествами, что и Себастьян Шоу из «Людей Х». Если на них напасть, они станут лишь сильнее.

Сила взаимодействий

Существует определенный уровень энергии — примерно 10 15ГэВ — на котором силы всех взаимодействий пересекаются. Евклид показал, что две непараллельные прямые всегда пересекаются в какой-то точке. Однако три линии пересекаются лишь попарно. Очень странно и, надо сказать, довольно интересно, что все они, насколько мы можем судить, нашли одну общую точку пересечения.

К несчастью для нас, добиться таких энергий на нашем этапе технического прогресса нечего и мечтать. Нам потребовалось бы примерно в триллион раз больше энергии, чем в самом мощном на данный момент ускорителе — Большом адронном коллайдере. Чтобы воссоздать энергии ранней вселенной, нам понадобилось бы построить ускоритель размером примерно с Солнечную систему.

Поиск глубинных симметрий и попытки объединения теорий — явление отнюдь не новое и восходит как минимум к Фалесу Милетскому, который жил две с половиной тысячи лет назад, а на самом деле, скорее всего, и к более древним временам. Вот что писал о первых «теориях всего» Фрэнсис Бэкон:

Фалес утверждал, что первоначало всего — вода… что воздух — это всего-навсего испарение и расширение воды — и, более того, что даже сам огонь невозможно ни разжечь, ни поддерживать и питать иначе как влагой и посредством влаги. Кроме того, он полагал, что набухание, которое свойственно влаге и поддерживает жизнь огня и пламени, судя по всему, своего рода продукт созревания воды.

Вселенная состоит не из воды. И не из земли, ветра или огня — эту идею выдвинул Гераклит. С другой стороны, поскольку все состоит из энергии, можно возразить, что Гераклит почти угадал — если вам угодно приравнять огонь к энергии — и тогда Теория Всего отчасти его заслуга.

Перескочим на несколько тысяч лет вперед. К тому времени, как на сцену вышел Эйнштейн, были известны лишь два взаимодействия — гравитация и электромагнетизм, — а Эйнштейн хотел всего-навсего объединить их в одну теорию. И он был не одинок.

Всего через три года после того, как Эйнштейн опубликовал окончательный вариант общей теории относительности, математик по имени Теодор Калуца разработал новый подход к взаимоотношениям между гравитацией и электромагнетизмом. Подход Калуцы, который дополнил и усовершенствовал Оскар Клейн в 1926 году, состоял в том, чтобы переписать уравнения общей теории относительности для пяти измерений (почему бы и нет?). При этом Калуцу и Клейна поджидал сюрприз: новые уравнения описывали общую теорию относительности во вселенной с тремя пространственными измерениями, и при этом из них прекрасно выводились уравнения электромагнетизма Максвелла.