Джон Гриббин - В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Проблема калибровочных теорий, помимо сложности их перенормировки, заключается в том, что они не уникальны. Точно так же, как отдельная калибровочная теория включает в себя бесконечности, от которых необходимо избавиться посредством перенормировки, чтобы теория соответствовала реальности, существует бесконечное число возможных калибровочных теорий, и те, которые выбраны для описания физических процессов, необходимо подогнать таким же образом, на одинаково ситуативной основе, чтобы они соответствовали результатам наблюдений за реальным миром. Хуже того, в калибровочных теориях ничто не указывает на то, сколько должно быть различных типов частиц – сколько барионов, или лептонов (частиц из того же семейства, что и электроны), или калибровочных бозонов, или чего бы то ни было еще. В идеале физики хотели бы разработать уникальную теорию, которая требовала бы только определенное число определенного типа частиц, чтобы объяснить физический мир. Шаг в сторону такой теории был совершен в 1974 году, когда изобрели суперсимметрию.

Рис. Э.6. Нарушение магнитной симметрии, изображенное на рисунке Э.5, можно понять, воспользовавшись примером мяча во впадине. Если впадина только одна, мяч находится в стабильном, симметричном состоянии. Если существует две впадины, симметричная позиция нестабильна и мяч должен скорее рано, чем поздно скатиться в одну из впадин, нарушив тем самым симметрию.

Идея появилась из работ Юлиуса Весса из университета Карлсруэ и Бруно Зумино из университета Калифорнии в Беркли. Они оттолкнулись от предположения о том, как должны выглядеть вещи в идеально симметричном мире – что каждый фермион должен обладать бозоном-двойником с такой же массой. Вообще-то такой симметрии в природе не наблюдается, но объяснение может заключаться в том, что симметрия нарушена, как и симметрия, задействованная в электромагнитном и слабом взаимодействии. Само собой, проведя математические расчеты, вы обнаружите, что существуют способы описать суперсимметрии, которые существуют во время Большого взрыва, но затем нарушаются таким образом, что обычные частицы физики получают небольшую массу, в то время как их суперпартнеры обретают огромную массу. После этого суперчастицы могут существовать только короткий период времени, вскоре распадаясь каскадом менее крупных частиц. Чтобы создать суперчастицы сегодня, нам необходимо воссоздать условия Большого взрыва на крайне высоких энергиях, поэтому не стоит удивляться, если даже столкновение пучков протонов и антипротонов в ЦЕРНе не сможет создать их.

Все это очень «ненадежно». Но есть и большой плюс. До сих пор существуют разные версии суперсимметричной теории поля, разные вариации на тему, но ограничения симметрии означают, что каждая версия теории позволяет существование только определенного числа разных типов частиц. Некоторые версии предполагают наличие сотен различных типов фундаментальных частиц, что несколько пугает, но другие указывают на существование гораздо меньшего их числа. При этом ни одна из теорий не предсказывает возможность существования бесконечного числа «фундаментальных» частиц. Более того, в каждой из теорий суперсимметрии частицы организовываются в семейства. В самой простой версии существует всего один бозон с нулевым спином и его пара со спином 1/2; более сложная версия предполагает наличие двух бозонов со спином 1, одного фермиона со спином 1/2 и одного фермиона со спином 3/2 – и так далее. Но впереди нас ждет кое-что получше. В суперсимметриях не всегда приходится заниматься перенормировкой. В ряде таких теорий бесконечности автоматически отменяются, не в ситуативном порядке, а следуя должным математическим правилам и оставляя после себя разумные конечные числа.

Суперсимметрия, кажется, хороша, но она еще не является окончательным ответом. Чего-то все еще не хватает, и физики не знают, чего именно. Разные теории довольно сносно соотносятся с различными характеристиками реального мира, но ни одна теория суперсимметрии не объясняет реальный мир во всей его полноте. Тем не менее существует одна теория суперсимметрии, которая заслуживает отдельного упоминания. Она называется супергравитация N = 8.

Эта супергравитация отталкивается от гипотетической частицы, называемой гравитоном, которая переносит гравитационное поле. Помимо нее, существует еще восемь частиц (отсюда и N = 8), называемых гравитино, 56 «реальных» частиц вроде кварков и электронов и 98 частиц, которые выступают в роли посредников во взаимодействиях (фотоны, W и многие другие глюоны). Это внушительное количество частиц, но оно точно определено теорией, которая не оставляет места ни для одной частицы более. Трудности, с которыми физики сталкиваются при проверке теории, можно понять, рассмотрев гравитино. Они никогда не регистрировались, и существуют две диаметрально противоположные причины, по которым это так. Возможно, гравитино – это неуловимые, похожие на призраков частицы, обладающие крайне малой массой, которые никогда и ни с чем не вступают во взаимодействие. Или, возможно, они так тяжелы, что современные аппараты, используемые в опытах с частицами, не могут предоставить энергию, необходимую для их создания и наблюдения.