Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир - Гвидо Тонелли
Великое объединение сил
Объединенная теория электрослабых взаимодействий стала еще одним решительным шагом к осуществлению мечты всех физиков – великому объединению фундаментальных взаимодействий.
У этой проблемы долгая предыстория. Первое объединение восходит еще к Галилею и Ньютону. Сила тяжести, благодаря которой тела ускоренно падают на землю, и та сила, что притягивает друг к другу Луну и Землю или Землю и Солнце, из‑за чего первые находятся в состоянии перманентного падения на вторые, – два разных проявления одной и той же силы всемирного тяготения. Небесная гравитация и земная сила тяжести – это одна и та же сила. Именно об этом говорит нам легенда о яблоке, падающем на голову гениального английского ученого.
Для следующего объединения потребовалось два века. Мы назвали его электромагнетизмом – это сила, переносимая фотонами. После того как Фарадей, Герц, Максвелл и Лоренц показали, что электрические явления вызывают магнитные эффекты, и наоборот, все стало простым и понятным. А когда выяснилось, что данное взаимодействие распространяется посредством фотонов и что свет – это электромагнитная волна с определенными параметрами, иначе говоря, возмущение поля, распространяющееся в пространстве, то полноправным членом семьи стала и оптика.
С объединением слабого и электромагнитного взаимодействий желание рассматривать три фундаментальных силы (третье – это сильное ядерное) как проявления одной и той же суперсилы стало практически непреодолимым.
Механизм тут прост. Три фундаментальных взаимодействия характеризуются тремя числами, константами связи, которые определяют их интенсивность. Чем больше значение соответствующей константы, тем интенсивнее взаимодействие. Значения этих трех констант хорошо известны. Принимая за 1 константу связи сильного взаимодействия, мы получим для электромагнитного взаимодействия значение константы связи в 1/137, то есть оно окажется более чем в сто раз слабее сильного, а слабое – примерно в миллион.
Это колоссальное неравенство несколько смягчается из‑за того, что я предпочитаю называть динамической социальной справедливостью: из‑за механизма, подтвержденного множеством экспериментов. Значения констант связи, то есть интенсивность соответствующих взаимодействий, не остаются постоянными, определенными раз и навсегда. Константы, таким образом, не в полной мере константы – они зависят от энергии. С ростом энергии сильные слабеют, а слабые становятся сильнее.
Эту странную динамику подтверждают эксперименты со столкновениями на высоких энергиях. С ростом энергии сталкивающихся частиц проявления электромагнитных и слабых взаимодействий растут, а проявления сильных, напротив, ослабевают. Этот механизм был в основании объединения электрослабых взаимодействий. Когда стали доступны энергии, достаточные для получения W– и Z-бозонов, интенсивность слабых взаимодействий выросла до такой степени, что мы смогли экспериментально убедиться в их объединении с электромагнитными; с тех пор, как подобное можно было наблюдать в естественных условиях, прошли миллиарды лет.
Тот же механизм наблюдается в экспериментах на LHC. При возрастании энергии константа связи сильных взаимодействий становится меньше, а константа связи слабых растет, так что оба значения все больше и больше сближаются. Экстраполируя эту тенденцию, различные теории предсказывают, что при экстремально высоких энергиях константы связи сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий стали бы почти равными[17] и три фундаментальных взаимодействия практически сравнялись бы по интенсивности. Эти энергии не были достигнуты, и, по всей вероятности, достичь их не удастся – по крайней мере в ближайшем будущем. Тем не менее общая теоретическая рамка представляется вполне функциональной.
При проведении этой экстраполяции выяснилось, что присутствие в теории новых частиц (к примеру, предсказанных на основании предположения суперсимметрии) приводит к тому, что при вполне определенном значении энергии константы связи всех трех взаимодействий в конце концов приобретают совершенно одинаковое значение. Это обстоятельство послужило еще одним сильным аргументом в пользу суперсимметрии.
Если бы Великое объединение было доказано экспериментально, ситуация стала бы намного яснее. То, что мы видим в реальности нашего мира, – это низкоэнергетические проявления фундаментальных взаимодействий, производных от одной суперсилы, которая действовала в невозмущенном виде в горячей ранней Вселенной. Но как только температура Вселенной опустилась ниже критической, эта суперсила кристаллизовалась и приобрела формы, кажущиеся нам разными взаимодействиями; именно в таком виде мы и смогли с ними познакомиться. Произошедшее немного напоминает то, что случается с водяным паром зимних облаков, который, в зависимости от условий среды, может либо конденсироваться в холодные капли дождя, либо десублимировать в кристаллы снежинок.
Имя мечты
А что же с гравитацией? Мы на какое‑то время оставили ее в стороне – по причине ее обезоруживающей слабости в сравнении с другими фундаментальными взаимодействиями. Константа связи гравитационного взаимодействия с ее близким к нулю значением 10–39 бьет все рекорды. По причине малости этой величины принимать во внимание гравитацию имеет смысл только тогда, когда рассматриваются огромные массы: Солнце, Земля или Луна.
Никто не будет считаться с силой гравитационного притяжения между сотрудниками одного офиса или рабочими одного завода. А ведь каждый из них весит около 80 кг и находится на расстоянии всего двух метров от другого, притом что сила притяжения двух масс обратно пропорциональна квадрату расстояния. И все же она никого не интересует из‑за очень маленького значения константы связи – вследствие этого сила притяжения окажется настолько слабой, что для ее экспериментальной регистрации нам бы понадобились весьма чувствительные приборы. (Если же вы испытываете притяжение к коллеге, с которым или с которой работаете в одном помещении, то у вашего притяжения наверняка не гравитационная природа.)
Для гравитационной константы связи справедливо то же, что было уже сказано про все остальные: при возрастании энергии она растет. Но в ее случае механизм объединения не работает. Эта константа стартует со значения настолько низкого, что, когда все остальные взаимодействия сливаются вместе, безнадежно слабое гравитационное остается в одиночестве.
Эта аномалия будет в центре внимания у целых поколений физиков. Одна из самых привычных для нас сил, с которой мы сталкиваемся ежедневно, оказывается в то же самое время и самой странной. И все‑таки желание объединить все четыре встречающихся в природе взаимодействия никуда не делось. У такой теории уже даже есть амбициозное имя – Теория Всего. И она – тайная мечта любого физика.
Экстраизмерения
Добавить гравитацию в объединенную теорию казалось безнадежным делом до тех пор, пока, несколько лет назад, группа молодых физиков не предложила коренным образом поменять сам взгляд на проблему.
Механизм, в его принципиальных чертах, прост. Гравитация не слаба сама по себе, она
