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

Сверхпроводимость Сетки не связана с сильными цветными зарядами, поэтому сильные цветные глюоны остаются незатронутыми и обладают нулевой массой. Не влияет она и на фотоны. В отличие от полей W и Z, которые в значительной степени подавляются и становятся короткодействующими из-за обнуляющих поля сверхтоков, фотоны остаются безмассовыми. К счастью для нас, поскольку наши электрические и электронные технологии, не говоря уже о нашем химическом бытии, опираются на энергичные электромагнитные силы, сверхтоки Сетки являются электрически нейтральными.

Мы можем продвинуть эти идеи на важный шаг вперед.

Главный вклад сверхпроводимости Сетки в Центральную электрослабую теорию состоит в объяснении того, почему слабое взаимодействие кажется намного слабее и туманнее по сравнению с электромагнитным, хотя они и находятся почти на одинаковых основаниях в фундаментальных уравнениях. (Действительно, как мы уже говорили, слабое взаимодействие, в сущности, является несколько более мощным.) В терминах симметрии Центральной теории она показывает нам возможность объяснения редукции:

SU(3) × SU(2) × U(1) SU(3) × U(1)

от фундаментальных симметрий Центральной теории (сильное × × слабое × гиперзаряд) до тех, которые имеют долгосрочные последствия (сильное × электромагнитное).

В наших единых теориях мы работаем с гораздо большими группами симметрии, чем группа Центральной теории SU(3) × SU(2) × × U(1), например с SO(10). Большая симметрия предоставляет больше возможностей для преобразований среди различных видов зарядов и больше видов глюон/фотон/W, Z-подобных калибровочных частиц, которые эти преобразования реализуют.

Дополнительные калибровочные частицы способны делать то, что редко, если вообще когда-либо, случается в реальности. Например, преобразуя единицу слабого цветного заряда в единицу сильного цветного заряда, мы можем превратить кварк в лептон или антикварк. Кредитный счет полон таких возможностей. Поэтому мы можем легко генерировать, например, распад:

p e+ +

протонов на позитроны и фотоны. Если бы этот распад произошел со скоростью, примерно соответствующей скорости обычного слабого взаимодействия, то это заняло бы небольшую долю секунды. У нас были бы серьезные проблемы, поскольку наши тела быстро испарились бы в электронно-позитронную плазму.

Мы можем подавлять нежелательные процессы, сохраняя при этом основополагающую унифицирующую симметрию и используя новый слой сверхпроводимости Сетки. Тогда по мере продвижения от очень малых до больших расстояний мы обеспечим уменьшение активных (неподавленных) полей согласно:

SO(10) SU(3) × SU(2) × U(1) SU(3) × U(1).

Второй шаг представляет собой то, что мы уже получили в рамках Центральной теории.

Для первого шага нам нужны гораздо более эффективные сверхтоки Сетки. Они должны мощно подавлять нежелательные сильные слабые преобразования цветовых зарядов. Конечно, это означает, что сами сверхтоки являются потоками, включающими как сильные, так и слабые цветовые заряды.

Ни одна из известных форм материи не может обеспечить таких сверхтоков. С другой стороны, легко изобрести новые поля наподобие хиггсовского, которые способны справиться с этой работой. Люди играли и с другими идеями. Может быть, эти токи возникают из-за частичек, мечущихся в дополнительных крохотных свернутых пространственных измерениях. Возможно, это вибрации струн, обернутых вокруг крошечных свернутых пространственных измерений. Поскольку концентрированные энергии, необходимые для исследования таких малых расстояний, выходят далеко за пределы того, что мы можем достичь на практике, эти догадки проверить нелегко.

К счастью, как и в Центральной теории электрослабого взаимодействия, мы можем добиться многого, приняв сверхтоки как данность и не придумывая гипотез о том, из чего они состоят. Я прибег к этой философии в третьей части данной книги. Это позволило нам достичь некоторых обнадеживающих успехов и сделать некоторые конкретные предположения. Если эта идея переживет дальнейшие проверки, мы сможем с уверенностью утверждать, что живем внутри многослойного многоцветного космического сверхпроводника.

Савас Димопулос всегда бывает захвачен какой-нибудь идеей, и весной 1981 года это была суперсимметрия. Он посетил новый Институт теоретической физики в Санта-Барбаре, сотрудником которого я недавно стал. Мы моментально нашли общий язык — он был полон диких идей, а мне нравилось напрягать мозг, пытаясь отнестись к некоторым из них серьезно.

Суперсимметрия была (и остается) прекрасной математической идеей. Проблема ее применения заключается в том, что она слишком хороша для этого мира. Мы просто не находим частиц того типа, который она прогнозирует. Например, мы не видим частиц с тем же зарядом и массой, что и электроны, но с другим значением спина.

Однако принципы симметрии, которые могли бы помочь объединить фундаментальную физику, трудно найти, поэтому физики-теоретики не откажутся от них просто так. Основываясь на предыдущем опыте с другими формами симметрии, мы разработали резервную стратегию, называемую спонтанным нарушением симметрии. При этом подходе мы постулируем, что фундаментальные уравнения физики имеют симметрию, а стабильные решения этих уравнений ее не имеют. Классический пример данного явления имеет место в обычном магните. В основных уравнениях, описывающих физику куска железа, любое направление эквивалентно любому другому, но кусок железа превращается в магнит с некоторым определенным, направленным к северу полюсом.

Простой и знакомый пример спонтанного нарушения симметрии связан с левосторонним и правосторонним дорожным движением. Не важно, по какой именно стороне улицы едут машины — главное, чтобы все ехали по одной и той же стороне. Если большинство едут по левой стороне, но кто-то — по правой, то возникает нестабильная ситуация. В таком случае симметрия между правой и левой стороной улицы оказывается нарушена. Разумеется, в разных вселенных (назовем их «Великобритания» и «США»), ситуация может отличаться.