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

Исследование возможностей, открываемых спонтанно нарушаемой суперсимметрией, требует построения модели — творческой деятельности, связанной с предложением уравнений-кандидатов и анализом их последствий. Построение моделей со спонтанно нарушаемой суперсимметрией, которые согласуются со всем остальным, что мы знаем о физике, — это сложное дело. Даже если вам удастся обеспечить нарушение симметрии, лишние частицы никуда не денутся (только станут тяжелее) и будут наносить разнообразный вред. Я попробовал свои силы в создании моделей, когда идея суперсимметрии была впервые разработана в середине 1970-х годов, но сдался после нескольких неудачных попыток.

Савас был гораздо более одаренным в плане построения моделей в двух важнейших отношениях: он не настаивал на простоте и не сдавался. Когда я определил конкретную проблему (назовем ее A), которая не была затронута в его модели дня, он сказал: «Это не настоящая проблема, я уверен, что смогу решить ее», а на следующий день он приходил с более сложной моделью, в которой проблема А была решена. Тогда мы обсуждали проблему Б, и он решал ее с помощью совершенно другой сложной модели. Для решения проблем A и Б вы должны были соединить две модели, придя к проблеме В, и вскоре все становилось невероятно сложным. Прорабатывая детали, мы находили какой-нибудь изъян. На следующий день Савас приходил очень взволнованным и счастливым с еще более сложной моделью, которая исправляла изъян, найденный накануне. В конце концов, мы устраняли все недостатки, используя доказательство методом исчерпания — любой, включая нас, кто попытался бы проанализировать модель, исчерпал бы все силы, прежде чем понял ее достаточно хорошо, чтобы найти в ней изъяны.

Когда я попытался подготовить нашу работу к публикации, у нас возникло определенное чувство нереальности и смущения из-за сложности и своевольности того, что мы придумали. Саваса это не устрашило. Он даже утверждал, что некоторые существующие идеи об объединении с использованием калибровочной симметрии, которые мне казались действительно продуктивными, на самом деле не были такими уж элегантными, если вы пытались быть реалистом и подробно их проработать. Фактически он разговаривал с другим коллегой, Стюартом Раби, о попытках улучшения этих моделей за счет включения суперсимметрии! Я скептически относился к этому «улучшению», поскольку был уверен, что дополнительная сложность, связанная с добавлением суперсимметрии, сведет на нет существующий успех калибровочной симметрии в плане объяснения относительных значений сильных, электромагнитных и слабых констант связи. Мы втроем решили произвести вычисления с целью оценить сложность ситуации. Чтобы сориентироваться и сделать определенный расчет, мы начали с того, что проигнорировали всю проблему нарушения суперсимметрии. Это позволило нам использовать очень простые (но явно не реалистичные) модели.

Результат был потрясающим, по крайней мере для меня. Суперсимметричные версии моделей калибровочной симметрии, хотя они сильно отличались от оригиналов, дали почти тот же ответ относительно связей.

Это стало поворотным моментом. Мы отложили в сторону «не-ошибочные» сложные модели со спонтанным нарушением суперсимметрии и написали короткую статью, которая, будучи воспринятой буквально (с ненарушенной суперсимметрией), была бы неправильной. Однако она представляла результат, который был настолько прямолинейным и успешным, что идея объединения унификации и суперсимметрии показалась (возможно) правильной. Мы отложили проблему того, как нарушается суперсимметрия. И сегодня, несмотря на существование нескольких стоящих идей, общепринятого решения нет.

После нашей первоначальной работы более точные измерения связей позволили провести различие между прогнозами моделей с суперсимметрией и без нее. Модели с суперсимметрией работают намного лучше. Мы все с нетерпением ожидаем результатов работы Большого адронного коллайдера в ЦЕРН, Европейской лаборатории физики элементарных частиц, где в случае истинности этих идей должны появиться новые частицы суперсимметрии или, можно сказать, новые измерения суперпространства.

Этот небольшой эпизод, как мне кажется, примерно на 179° сдвинут по фазе относительно идеи Карла Поппера, заключающейся в том, что мы добиваемся прогресса, опровергая теории. Скорее, во многих случаях, включая некоторые из самых важных, мы внезапно решаем, что наши теории могут оказаться истинными благодаря пониманию необходимости стратегически игнорировать вопиющие проблемы. Аналогичный поворотный момент имел место, когда Дэвид Гросс и я решили предложить квантовую хромодинамику (КХД), основанную на асимптотической свободе, отложив проблему удержания кварков. Но это уже другая история...

Адрон

Физическая частица, основанная на кварках и глюонах (сами кварки и глюоны в расчет не берутся, поскольку они не могут существовать в свободном состоянии). Наблюдается два основных вида адронов: мезоны и барионы. Мезоны возникают, когда кварк и антикварк приходят в равновесие с Сеткой. Барионы появляются, когда в равновесие с Сеткой приходят три кварка. Обнаружено много десятков различных мезонов и барионов. Почти все они очень неустойчивы. Могут также существовать глюболы, образованные двумя или тремя глюонами. Имеют место некоторые разногласия относительно существования глюболов, поскольку на наблюдаемых частицах нет надписей!

Аксион

Гипотетическая частица, предсказанная в классе теорий, исправляющих эстетические изъяны Центральной теории (нарушение пространственно-временной четности в слабых взаимодействиях). Предполагается, что аксионы очень слабо взаимодействуют с обычной материей и должны были образоваться в момент Большого взрыва с плотностью, примерно достаточной для создания темной материи. Поэтому аксионы являются хорошими кандидатами на звание основного компонента темной материи.

Амплитуда (квантовая)

Квантовая механика позволяет предсказать вероятности различных событий, однако уравнения квантовой механики формулируются с использованием амплитуд, которые являются своего рода предвероятностью. Если точнее, то вероятность — это квадрат амплитуды. (Для специалистов: амплитуды, как правило, представляют собой комплексные числа, а вероятность равна квадрату их абсолютной величины.) Термин «амплитуда» используется для описания высот волн многих видов, например, океанических, звуковых или радиоволн. Квантово-механические амплитуды — это, по существу, высоты квантово-механических волновых функций. Дополнительную информацию и примеры вы можете найти в главе 9. См. также: Волновая функция.

Антиматерия

Материя, с которой мы обычно имеем дело и из которой состоим, состоит из электронов, кварков, фотонов и глюонов. Вещество, состоящее из соответствующих античастиц: антиэлектронов (также известных как позитроны), антикварков, фотонов и глюонов, часто называется антиматерией (обратите внимание, что фотоны и глюоны являются своими собственными античастицами. Точнее, одни глюоны являются античастицами других; все восемь глюонов составляют полный набор частиц, замкнутый на себя). См. также: Античастица.

Античастица