Одно из этих новых предсказаний заключалось в том, что должны существовать процессы, посредством которых кварки могут видоизмениться в электроны и нейтрино, поскольку в SU(5) кварки, электроны и нейтрино являются только различными проявлениями одного и того же основополагающего вида частиц. Как мы видели, когда две вещи объединяются, должны проявиться новые физические процессы, путём которых они могут переходить друг в друга. SU(5) на самом деле предсказывает такие процессы, которые сходны с радиоактивным распадом. Это чудесное предсказание, характеризующее великое объединение. Это требуется теорией и характерно только для неё.
Распад кварка на электроны и нейтрино должен был бы иметь наблюдаемые последствия. Протон, содержащий этот кварк, больше не был бы протоном; он распался бы на более простые части. Таким образом, протоны больше не являются стабильными частицами — они подвергаются разновидности радиоактивного распада. Конечно, если бы это происходило очень часто, наш мир распался бы, так как всё стабильное в нём состоит из протонов. Так что, если протоны распадаются, темп распада должен быть очень малым. И это именно то, что предсказывает теория: темп менее одного такого распада каждые 10
«Я готов был побиться об заклад на свою жизнь — ладно, не на свою жизнь, но ты знаешь, что я имею в виду, — что протон должен распадаться,» — так он это определил, — «SU(5) была такой красивой теорией, всё встраивалось в неё совершенным образом, — и она оказалась неверной.»
В самом деле, было тяжело переоценить последствия отрицательного результата. SU(5) была самым элегантным из вообразимых способов объединения кварков с лептонами, и она приводила к кодификации свойств стандартной модели в простых терминах. Даже после двадцати пяти лет я всё ещё нахожу ошеломляющим тот факт, что SU(5) не работает.
Не то, чтобы это было тяжело для нас, теоретиков, выбраться из текущей неудачи. Вы можете просто добавить в теорию несколько симметрий и частиц, так что там будет больше констант для подгонки. С большим количеством подгоночных констант вы можете устроить распад протона столь редким, как вам нравится. Так что вы можете легко защитить теорию от экспериментальной неудачи.
Как упоминалось, ущерб уже нанесён. Мы потеряли шанс наблюдения поразительного и однозначного предсказания глубокой новой идеи. В его простейшей версии великое объединение сделало предсказание относительно темпа распада протона. Если великое объединение верно, но более сложно, так что темп распада протона может быть подогнан ко всему, что нам нравится, теория теряет способность к объяснению. Надежда была в том, что объединение сможет оценить величины констант в стандартной модели. Вместо этого великое объединение, если оно имеет силу, вводит новые константы, которые должны быть заданы руками, чтобы скрыть эффекты, которые не согласуются с экспериментом.
Мы видим здесь иллюстрацию общего урока, описанного ранее. Когда вы объединяете различные частицы и силы, вы рискуете внести в мир нестабильности. Это происходит потому, что появляются новые взаимодействия, через которые объединённые частицы могут преобразовываться друг в друга. Нет способа избежать этих нестабильностей; на самом деле, такие процессы сами по себе являются доказательством объединения. Единственный вопрос в том, работаем ли мы с хорошим случаем — подобным стандартной модели, которая делает недвусмысленные предсказания, которые быстро подтверждаются, — или с неподходящим случаем, в котором мы играем с теорией, чтобы скрыть последствия. Такова дилемма современных теорий унификации.
5
От объединения к суперобъединению
Крах первой из теорий великого объединения вызвал кризис в науке, который продолжается до сегодняшнего дня. До 1970-х теория и эксперимент разрабатывались рука об руку. Новые идеи проверялись в течение нескольких лет, самое большее десяти. Каждое десятилетие с 1780-х по 1970-е демонстрировало значительный прогресс в нашем понимании основ физики, и в каждом продвижении вперёд теорию поддерживал эксперимент, но с конца 1970-х не было ни одного настоящего прорыва в нашем понимании физики элементарных частиц.
Когда рушится большая идея, есть два пути реакции на это. Вы можете понизить планку и отступить к небольшому приросту науки, медленно исследуя границы знания с помощью новых теоретических и экспериментальных методик. Многие физики, работавшие в области частиц, сделали это. В результате стандартная модель очень хорошо проверена экспериментально. Самая большая побочная находка последней четверти века заключается в том, что нейтрино имеют массу, но это открытие может быть согласовано минимальной подгонкой стандартной модели. Кроме этого не было сделано никаких модификаций.
Другой путь реагирования на крах большой идеи заключается в попытке сделать даже больше неё. Сначала несколько теоретиков, затем растущее их число выбрали эту дорогу. Это дорога, которую нам стоило бы оставить в покое; до сегодняшнего дня ни одна из новых идей не получила никакой экспериментальной поддержки.
Из больших идей, которые были придуманы и изучены за эти годы, одна, которая получила наибольшее внимание, называется суперсимметрией. Если она верна, она станет столь же фундаментальной частью нашего понимания природы, как теория относительности и калибровочный принцип.
Мы видели, что большие унификации находят скрытые взаимосвязи между аспектами природы, которые раньше мыслились различными. Пространство и время исходно были очень разными концепциями; СТО их объединила. Геометрия и гравитация были некогда совсем не связанными; ОТО их объединила. Но всё ещё есть два больших класса вещей, которые составляют населяемый нами мир: частицы (кварки, электроны и т. д.), которые составляют вещество, и силы (или поля), с помощью которых они взаимодействуют.
Калибровочный принцип объединил три силы. Но мы всё ещё остаёмся с этими двумя различными сущностями: частицами и полями. Их унификация была целью двух предыдущих попыток, теории эфира и единой теории поля, и каждая провалилась. Суперсимметрия является третьей попыткой.
Квантовая теория говорит, что частицы являются волнами и волны являются частицами, но это на самом деле не приводит к объединению частиц с силами. Причина в том, что в квантовой теории остаются два широких класса элементарных объектов. Они называются фермионами и бозонами.
Все частицы, которые составляют вещество, такие как электроны, протоны и нейтрино, являются фермионами. Все силы состоят из бозонов. Фотон является бозоном, и такими же являются частицы, вроде W и Z частиц, связанные с другими калибровочными полями. Частица Хиггса также бозон. Суперсимметрия предлагает способ объединить эти два больших класса частиц, бозоны и фермионы. И она делает это очень творческим способом, предположив, что каждая известная частица имеет до этого не виданного суперпартнёра.
Грубо говоря, суперсимметрия является процессом, при котором вы можете заменить один из фермионов на бозон в некотором эксперименте без изменения вероятностей различных возможных исходов. Это сложно сделать, поскольку фермионы и бозоны имеют очень разные свойства. Фермионы подчиняются принципу запрета (или исключения), найденному Вольфгангом Паули в 1925 году, который говорит, что два фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. По этой причине все электроны в атоме не сидят на низшей орбитали; раз уж один электрон находится на отдельной орбите или в квантовом состоянии, вы не можете поместить другой электрон в то же состояние. Принцип запрета Паули объясняет многие свойства атомов и материалов. Бозоны, однако, ведут себя противоположным образом: Они любят делить состояния. Когда вы помещаете фотон в определённое квантовое состояние, вы делаете более вероятным, что другой фотон найдёт свой путь в это же самое состояние. Это влечение объясняет многие свойства полей, подобных электромагнитному полю.
Так что сначала кажется сумасшедшим, что вы могли бы придумать теорию, в которой вы могли бы заменить бозон на фермион и всё ещё получить стабильный мир. Но правдоподобно это или нет, четверо русских нашли, что они могли бы записать последовательную теорию именно с такой симметрией, которую мы сегодня называем суперсимметрией. Это были Евгений Лихтман и Юрий Гольфанд в 1971 году и Владимир Акулов и Дмитрий Волков в 1972.
В те дни учёные на Западе были явно лишены контактов с учёными в Советском Союзе. Советским учёным только изредка позволялось путешествовать, и им чинились препятствия в публикациях в несоветских журналах. Большинство западных физиков не читали переводы советских журналов, так что в Советском Союзе было несколько открытий, которые не были приняты во внимание на Западе. Открытие суперсимметрии было одним из них.
Так суперсимметричные теории были придуманы ещё дважды. В 1973 году некоторые их разновидности были открыты двумя европейскими физиками, Джулиусом Вессом и Бруно Зумино. В отличие от русских, их труд был замечен и идеи были быстро развиты. Одна из их новых теорий заключалась в расширении электромагнетизма, в котором фотон объединялся с частицей, весьма похожей на нейтрино. Другое открытие суперсимметрии связано с теорией струн, и мы рассмотрим его детально позже.
Может ли суперсимметрия быть верной? Нет в своей исходной форме, которая постулировала, что для каждого фермиона имеется бозон с той же самой массой и зарядом. Это означает, что должен быть бозон с той же самой массой и зарядом, что и у электрона. Эта частица, существуй она, должна была бы называться
{7}
. Среди физиков, занимающихся частицами, есть великая надежда, что эта машина освободит нас от кризиса. Прежде всего, мы ожидаем LHC, чтобы увидеть частицу Хиггса, массивный бозон, отвечающий за перенос Хиггсова поля. Если этого не произойдёт, мы будем в больших неприятностях.
Но идея с самой высокой ставкой есть суперсимметрия. Если LHC увидит суперсимметрию, определённо будет Нобелевская премия для её изобретателей. Если нет, это будут дурацкие колпаки — не для тех, для кого нет позора в изобретении нового вида теории, но для всех тех из моего поколения, кто потратил свои карьеры на распространение этой теории.
Так много надежд возлагается на LHC потому, что то, что он найдёт, скажет нам очень много об одной из пяти ключевых проблем, отмеченных в главе 1: как объяснить величины свободных констант в стандартной модели. Чтобы увидеть, почему, нам необходимо понять одно очень замечательное свойство этих величин, заключающееся в том, что они или очень велики или очень малы. Один из примеров — дико отличающиеся величины сил. Электрическое отталкивание между двумя протонами сильнее их гравитационного притяжения на гигантский фактор, около 10
38
. Имеется также гигантская разница в массах частиц. Например, масса электрона составляет 1/1800 массы протона. А бозон Хиггса, если он существует, имеет массу, по меньшей мере, в 120 раз большую, чем протон.
Способом обобщения данных является замечание, что физика частиц кажется скорее иерархической, чем демократической. Четыре силы разбросаны в широком диапазоне величин, формируя иерархию от сильных к слабым, если двигаться от ядерной физики к гравитации. Различные массы в физике также формируют иерархию. На вершине находится планковская масса, которая соответствует энергии (напомним, что масса и энергия на самом деле одна и та же вещь), при которой станут важными эффекты квантовой гравитации. Возможно, в тысячу раз легче планковской массы находится масштаб, при котором должна проявиться разница между электромагнетизмом и ядерными силами. Эксперименты проводимые при этой энергии, которая называется масштабом унификации, будут видеть не три силы, а одну единственную силу. Снижаясь дальше по иерархии до 10
?16
от планковского масштаба, получаем ТэВ (тераэлектрон-вольт или 10
12
электрон-вольт), энергию, при которой имеет место объединение слабых и электромагнитных сил. Этот масштаб называется масштабом слабого взаимодействия. Это область, в которой мы должны видеть Хиггсов бозон, а также здесь многие теоретики ожидают увидеть суперсимметрию. LHC строится, чтобы исследовать физику именно на этом масштабе. Масса протона составляет 1/1000 от этой величины, снижение ещё на фактор 1/1000 приводит нас к электрону, и, возможно, 1/1 000 000 от этой величины составляет масса нейтрино. Далее по пути вниз на дно находится вакуумная энергия, которая существует в пространстве даже в отсутствие вещества.