Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Долгое время многие из нас считали, что единственным возможным способом исключения неподдающихся бесконечностей являются такие перенормируемые теории. Из-за этого возникла серьезная проблема, поскольку успешная теория гравитации Эйнштейна — общая теория относительности — не является перенормируемой. В 1970-х гг. стало понятно, что существуют условия, когда допустимы неперенормируемые теории. При этом предполагалось, что относительно сложные взаимодействия, из-за которых теории становятся неперенормируемыми, должны подавляться в том случае, когда они обусловлены некоторым неизвестным новым физическим явлением, проявляющимся на масштабах много меньше тех, с которыми мы имеем дело в известных нам физических процессах. На самом деле, гравитация очень сильно подавлена — сейчас это самый слабый тип взаимодействия элементарных частиц из всех известных нам. Но даже при этих условиях, поскольку неперенормируемые взаимодействия слабы, физики могут пренебречь ими и тем не менее получить достоверные приближенные результаты.

И это здорово. Это значит, что существует небольшое количество перенормируемых теорий, которые нужно рассматривать как хорошее приближение к описанию физического мира.

Далее, так вышло, что в условиях ограничений, накладываемых лоренц-инвариантностью и точными локальными симметриями Стандартной модели, наиболее общая перенормируемая теория сильного и электромагнитного взаимодействий просто оказывается недостаточно сложной, чтобы описать нарушения зеркальной симметрии и симметрии материи и антиматерии [84] Честность вынуждает меня признать, что здесь я намеренно опускаю некоторые технические сложности зеркальной симметрии. Однако это замечание о случайной симметрии применимо к симметрии материи-антиматерии без усложнений. . Таким образом, эти симметрии электромагнитного и сильного ядерного взаимодействий оказываются случайными, не имеющими отношения к тем симметриям, которые присущи физическому миру на фундаментальном уровне. Слабое ядерное взаимодействие не обладает зеркальной симметрией или симметрией материи и антиматерии, поскольку нет ни одной причины, по которой оно должно было бы ими обладать. Вместо вопроса о том, что нарушает зеркальную симметрию, нам следует поставить вопрос, почему вообще существуют зеркальная симметрия и симметрия материи и антиматерии. И теперь мы это знаем.

Протон-нейтронная симметрия объясняется аналогичным образом. Стандартная модель на самом деле рассматривает не протоны и нейтроны, а частицы, из которых они состоят, — кварки и глюоны [85] Эти частицы не наблюдались в экспериментах не потому, что они слишком тяжелы для создания в ускорителе (глюоны являются безмассовыми, а некоторые кварки довольно легкие), но потому, что сильное ядерное взаимодействие удерживает их вместе в смешанных состояниях, таких как протоны и нейтроны. . Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка; нейтрон состоит из двух d-кварков и одного u-кварка. Оказалось, что в самой общей перенормируемой теории кварков и глюонов, отвечающей точным симметриям Стандартной модели, единственным фактором, который может нарушить протон-нейтронную симметрию, являются массы кварков. Массы u- и d-кварков не одинаковы — d-кварк почти в два раза тяжелее u-кварка, — поскольку нет причин, вследствие которых они должны быть равны. Но величина обеих масс чрезвычайно мала: масса протонов и нейтронов в основном определяется сильным ядерным взаимодействием, а не массой кварков. Таким образом, в той степени, в которой можно пренебречь массой кварков, мы получаем случайную приближенную симметрию между протонами и нейтронами. Киральная симметрия и симметрия восьмеричного пути возникают аналогичным случайным образом.

Итак, зеркальная и протон-нейтронная симметрии, а также их обобщение являются вовсе не фундаментальными, но всего лишь случайными следствиями более глубинных принципов. Если вернуться к метафоре об этих симметриях, как о наших шпионах в высшем командовании физического мира, то можно сказать, что мы слишком переоценивали их важность, как часто бывает, впрочем, и с обычными шпионами.

Выявление случайных симметрий не только позволило разрешить старую загадку о приближенных симметриях, но еще и открыло новые восхитительные возможности. Как оказалось, существуют определенные симметрии, которые не могут нарушаться в любых теориях, в которых рассматриваются те же частицы и те же локальные симметрии, что и в Стандартной модели, и которые являются достаточно простыми для перенормировки [86] Снова я признаю, что опускаю некоторые сложные моменты. . Эти симметрии, получившие название закона сохранения лептонного и барионного заряда [87] Лептонное число определяется как число электронов и аналогичных более тяжелых заряженных частиц плюс число нейтрино минус число их античастиц. (Этот закон сохранения требует, чтобы нейтрино были безмассовыми, поскольку нейтрино и антинейтрино отличаются только тем, по или против направления их движения направлены их спины. Если бы нейтрино имели массу, тогда они бы двигались со скоростью ниже скорости света, поэтому можно было бы обратить их видимое направление движения, двигаясь с более высокой скоростью. В этом случае спин, направленный по направлению движения, окажется направленным против и нейтрино превратится в антинейтрино, в результате чего изменится лептонное число.) Барионное число пропорционально разности числа кварков и антикварков. Протоны — это легчайшие частицы с ненулевым барионным числом, поэтому если бы барионное число всегда сохранялось, не существовало бы таких частиц, на которые мог бы распасться протон при условии сохранения энергии. , если они действительно выполняются, будут требовать, чтобы нейтрино (частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях) не имели массы, а протоны и многие атомные ядра были абсолютно устойчивы. О существовании этих симметрий было известно из экспериментов задолго до появления Стандартной модели, и в целом считалось, что они выполняются точно. Но если это на самом деле случайные симметрии Стандартной модели, вроде случайной приближенной протон-нейтронной симметрии сильного взаимодействия, тогда они тоже могут быть только приближенными. Как я упоминал выше, теперь мы понимаем, что взаимодействия, из-за которых теория становится неперенормируемой, вполне возможны, хотя, скорее всего, они будут сильно подавлены. Стоит только допустить существование подобных сложных неперенормируемых взаимодействий, и тогда нейтрино больше не должны быть безмассовыми, а протоны не должны быть абсолютно стабильными частицами.