Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил - Фрэнк Вильчек

Существует множество других свежих примеров, когда в наших уравнениях появились новые формы материи еще до их обнаружения в лабораториях. Фактически это стало обычным делом. Кварки — как общая концепция, так и их специфические ароматы c, b и t, цветные глюоны, W- и Z-бозоны, а также все три вида нейтрино, — сначала были обнаружены в качестве решений уравнений, а позднее — в качестве явления физической реальности.

Продолжается поиск других талантливых обитателей концептуального мира, которые мы хотели бы привлечь в физический мир, в частности частиц Хиггса и аксионов. К сожалению, их подробное описание здесь потребовало бы сделать два серьезных отступления, в то время как наше повествование приближается к кульминации. Вы можете найти дополнительную информацию о них в глоссарии и примечаниях, а о частице Хиггса также в приложении Б.

Для нашей истории наиболее важным из предлагаемых расширений уравнений физики является суперсимметрия, которую часто называют SUSY. Как следует из названия, суперсимметрия предполагает, что мы должны использовать уравнения с большей симметрией.

Новая симметрия SUSY связана с буст-симметрией специальной теории относительности. Как вы помните, буст-симметрия говорит о том, что основные уравнения не меняются, когда вы описываете эффект от внедрения общей, постоянной скорости для всех компонентов описываемой вами системы. (Дираку пришлось модифицировать уравнение Шредингера, чтобы придать ему это свойство.) Суперсимметрия также говорит о том, что уравнения не меняются, когда вы сообщаете общее движение всем компонентам системы, которую описываете. Однако это совсем другой вид движения по сравнению с тем, который участвует в буст-симметрии. Вместо движения в обычном пространстве с постоянной скоростью суперсимметрия предусматривает движение в новые измерения!

Прежде чем увлечься видениями духовных миров и червоточин в гиперпространстве, позвольте мне добавить, что эти новые измерения имеют совершенно иную природу по сравнению со знакомыми нам измерениями пространства и времени. Это квантовые измерения. Тело, когда оно движется в квантовых измерениях, не перемещается, поскольку там нет понятия расстояния; вместо этого изменяется его спин. Эти «супербусты» превращают частицы с заданным значением характерного для них спина в частицы с другим значением спина. Поскольку уравнения должны оставаться неизменными, суперсимметрия связывает свойства частиц с различным спином. SUSY позволяет нам рассматривать их как одну и ту же частицу, движущуюся по-разному сквозь квантовые измерения суперпространства. Квантовые измерения можно представить в виде новых уровней Сетки. Когда частица переходит на такой уровень, ее спин (и ее масса) меняется. Заряды частицы — электрический, цветной и слабый — остаются прежними.

Суперсимметрия может позволить нам завершить работу по объединению Центральной теории. Объединение разных зарядов с помощью симметрии SO(10) свело в общий кластер все калибровочные бозоны, а также объединило в общий кластер все кварки и лептоны. Однако никакая обычная симметрия не способна объединить эти два кластера, поскольку они описывают частицы с разными спинами. Суперсимметрия — это лучшая идея для их объединения.

После расширения уравнений физики для включения суперсимметрии мы обнаруживаем, что они предусматривают большее количество решений. Как и в случае с уравнениями Максвелла и Дирака, новые решения представляют собой новые формы материи — новые виды полей и новые виды частиц, которые являются возбуждениями этих полей.

Суперсимметрия требует, грубо говоря, удвоения количества полей, имеющихся в наших уравнениях. Наряду с каждым известным нам полем в квантовых измерениях существует новое поле-партнер. Частицы, связанные с этими новыми полями, имеют те же заряды (всех видов), что и их известные партнеры, но различаются значением массы и спина.

Предположение об удвоении мира, основанное на эстетических соображениях[56], может показаться безрассудным и нелепым. Возможно, так и есть. Однако введение Дираком антиматерии предполагало аналогичное удвоение, а расширение Максвеллом мира света от видимой полосы до бесконечного пространства электромагнитного спектра было еще более значительным. Изначально обе концепции, по сути, являлись эстетическими уступками. Физики научились быть смелыми. Блаженнее просить прощения, чем разрешения. Итак, покончим с извинениями и вернемся к делу.

Новые частицы-партнеры должны быть тяжелее, чем их наблюдаемые сородичи, иначе они бы уже были обнаружены. Но мы предположим, что они не намного тяжелее, и посмотрим, к чему это приведет[57]

Колебания в этих новых полях пронизывают Сетку. Они представляют собой новые виды виртуальных частиц, которые вносят вклад в экранирование и антиэкранирование сильных, слабых и электромагнитных источников. Чтобы добраться до основ, имеющих место на коротких расстояниях или высоких уровнях энергии, мы должны скорректировать наше видение, чтобы устранить искажающий эффект этой бурлящей среды. Мы уже пытались произвести такую коррекцию ранее в главе 18 без учета этих возможных новых вкладов. Теперь мы должны скорректировать эту поправку.

Результат показан на рис. 20.1. Благодаря суперсимметрии это работает.

Рис. 20.1. Суперсимметрия требует расширения уравнений физики для включения новых полей. Из-за этих новых полей колебания Сетки искажают наше видение самых базовых физических процессов. После корректировки этих искажений мы обнаруживаем точное объединение на малых расстояниях, или, что то же самое, на высоких уровнях энергии

Мы можем включить в игру и гравитацию. Она, как мы видели, изначально является гораздо более слабой силой по сравнению с другими. Глядя на левую часть рис. 20.1, отражающую расстояния и уровни энергии, к которым мы можем получить доступ на практике, мы видим, что разница в мощности между сильным и электромагнитным взаимодействием примерно десятикратна. Поэтому они легко и аккуратно вписываются в одну картину вместе со слабым взаимодействием. Гравитация же не вписывается в эту картину. Поскольку она слабее и мы отмечаем обратную мощность, гравитация должна отображаться выше других. Однако, чтобы включить ее в таком масштабе, нам придется сделать наш рисунок размером, намного превосходящим размер известной нам Вселенной!

С другой стороны...

Для сил Центральной теории — сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия — корректировки при движении вправо, к гораздо более коротким расстояниям или более высоким уровням энергии, довольно скромны (и помните, что каждая отметка на горизонтальной оси соответствует коэффициенту, равному 10). В конце концов, эти корректировки возникли из-за едва заметного квантово-механического эффекта: экранирования (или антиэкранирования), связанного с колебаниями Сетки. Когда мы рассматриваем гравитацию на очень коротких расстояниях, передавая очень большие количества энергии, изменение оказывается гораздо более радикальным. Как мы уже говорили в главе 3, гравитация непосредственно реагирует на энергию. Ее мощность, как она определяется здесь, пропорциональна квадрату энергии. Учитывая этот эффект, мы можем вычислить гравитацию на малых расстояниях и сравнить ее с другими взаимодействиями. На рис. 20.2 показан результат. Из-за пределов известной нам Вселенной обратная сила гравитации спускается, чтобы присоединиться к другим взаимодействиям, подходя к ним довольно близко.