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

Калуца и Клейн попытались объединить электромагнетизм и гравитацию, выдвинув гипотезу, что электромагнетизм прячется в свернувшемся измерении. Это отнюдь не бред, как может показаться на первый взгляд, просто для того, чтобы разобраться, что к чему, нужна определенная умственная сноровка.

Я тут много говорил об идее внутренних симметрий. Внутренние симметрии — это, в сущности, такие бухгалтерские программы, позволяющие выявить числа, которые невозможно непосредственно измерить и которые исчезают при вычислениях. Одна из внутренних симметрий — фазовая симметрия, обладающая, однако, совершенно уникальными свойствами. Если изменить фазу на 360 градусов, все останется по-прежнему. Это и есть определяющее свойство окружности.

Главная идея теории Калуцы-Клейна состоит в том, что симметрия, которую мы считали внутренней, это на самом деле внешняя симметрия — симметрия пространства-времени, в котором мы обитаем. Четвертое измерение пространства — это измерение Пак-Мана, где вечно петляешь и оказываешься там, откуда вышел.

Учитывая тогдашний уровень познаний о физическом мире, это был смелый подход. У него был только один недостаток — зато вопиющий: во вселенной, где мы живем, пространственных измерений не четыре, и в этом нам крупно повезло, в чем мы и убедились в Главе 4. Так может получиться — даже приблизительно — только в том случае, если четвертое пространственное измерение очень-очень мало, несравнимо меньше даже ядра атома.

В последние несколько десятилетий интерес к этой идее вспыхнул с новой силой. Скрытые измерения — кровь и плоть теории струн, в нынешних версиях которой пространственных измерений насчитывается уже десять плюс одно временное.

Теория Калуцы-Клейна в конечном итоге оказалась несостоятельной по целому ряду причин, однако самая очевидная из них заключается в том, что законы физики не ограничиваются только гравитацией и электромагнетизмом. Кроме того, в теории нет места ни квантовой механике, ни фотонам и гравитонам.

Нынешние поиски теорий Великого объединения — в каком-то смысле шаг назад от первых попыток их сформулировать. Гравитация в них вообще не входит. Главная их цель — объединить сильное и электрослабое взаимодействия.

Пока что особых успехов на этом поприще мы не добились. Однако никто не запрещает нам размышлять, какова могла бы быть теория Великого объединения, а главное — какие выводы мы сделали бы из нее.

Каждое фундаментальное взаимодействие реагирует на свою разновидность заряда. Это электрический заряд, цвет (для сильного взаимодействия), слабый изоспин и гиперзаряд (для слабого взаимодействия) и масса (для гравитации). Однако не у всякой частицы есть полный набор зарядов. Например, у лептонов нет цвета. У праворуких частиц и леворуких античастиц нет слабого изоспина. У фотонов нет ни массы, ни заряда.

Если мы всерьез хотим разобраться, как именно все взаимосвязано, нужно найти хорошее объяснение тому, почему все эти частицы и взаимодействия в наши дни настолько различаются и как могло получиться, что когда-то они были так похожи.

Первые теории Великого объединения были выдвинуты в начале 1970 годов, вскоре после того, как стандартная модель окончательно оформилась в ее сегодняшнем виде. Одну из первых — и самую известную — предложил Ховард Джорджи в 1973 году, и она получила жутковатое название SO (10).

Это название — всего-навсего очередной пример математической стенографии из области теории групп. Суть теории состоит в то, что все частицы стандартной модели — это не более чем аспекты одной метачастицы. Несмотря на 10 в названии, метачастица из теории SO (10) способна принимать одну из шестнадцати различных форм. После чего, если разобраться в подробностях, остается сущий пустяк — все сосчитать, — и получится, что в стандартной модели и в самом деле ровно шестнадцать разных частиц.

Верхние и нижние кварки могут быть одного из трех цветов, так что в каждом поколении получается шесть разных кварков. Еще у нас есть электрон и нейтрино. Поскольку они бывают только одного цвета (наверное, бежевого), нам придется добавить к общей сумме два — получается восемь частиц. Теперь уточняем, что частицы бывают либо праворукие, либо леворукие (два варианта), и получаем шестнадцать различных состояний. Вуаля!

У этой теории есть несколько выдающихся достоинств — впрочем, должен отметить, что они есть у любой хорошей теории Великого объединения. Поскольку теория SO (10) представляет лептоны и кварки просто как разные аспекты одной и той же частицы, мы мгновенно получаем объяснение, почему у каждой частицы одинаковое количество поколений (правда, по-прежнему неясно, почему их три). Кроме того, теория объясняет, откуда у частиц те или иные заряды, в том числе и странные 2/3 у верхнего кварка и — 1/3 у нижнего кварка.

Успехи успехами, но без проблем тоже не обходится. Слабое взаимодействие — леворукое, а поскольку нейтрино создаются только при слабом взаимодействии, праворуких нейтрино не бывает. Это означает, что во всамделишной вселенной на поколение приходится всего пятнадцать частиц, а не шестнадцать, как обещали. В результате теории приходится заниматься сложной математической гимнастикой — утверждать, что праворукое нейтрино существует, но оно так массивно, что его никогда не удастся зарегистрировать.

Теория SO (10), как и множество прочих теорий Великого объединения, прогнозирует, что помимо частиц-переносчиков взаимодействий, которые мы знаем и любим, есть еще группа частиц под названием Х и Y. Эти частицы дают лептонам возможность превращаться в кварки и наоборот. Это очень важно, поскольку без Х— частиц непонятно, откуда у нас столько протонов и нейтронов (помните Главу 1?).

Более того, если у нас не будет способа превращать кварки в лептоны и наоборот, протоны станут буквально бессмертными. Протоны уникальны тем, что это самые легкие барионы — это общее название для всего, что состоит из кварков. Так что если избавиться от кварков невозможно, то протонам как самым легким барионам не во что распадаться.

Однако в рамках теории Великого объединения лептоны и кварки — это просто разные аспекты одной метачастицы, так что при очень высоких энергиях (или с очень низкой вероятностью) кварки могут спонтанно превращаться в электроны и наоборот. В результате общее число барионов может и не сохраняться — и тогда протоны будут жить не вечно. Может статься, это очень хороший способ проверить вашу любимую теорию Великого объединения.

Например, есть (или была) другая очень популярная теория Великого объединения — SU (5) [112] Кстати, ее открыл тот же Джорджи и в ту же самую ночь, когда и SO (10). . Она тесна связана с SO (10) математически и во многих отношениях гораздо проще. При прочих равных условиях мы должны предпочитать простую модель сложной — так велит бритва Оккама. В своей статье об этой гипотезе Джорджи и Шелдон Глэшоу писали: