Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей пространства - Лиза Рэндалл

Знаменитая статья Джорджи — Глэшоу 1974 года о теории Великого объединения начинается словами: «Мы представляем ряд гипотез и догадок, неизбежно приводящих к выводу… что все взаимодействия элементарных частиц (сильное, слабое и электромагнитное) являются проявлениями одного и того же фундаментального взаимодействия, содержащего единственную константу связи. Наша гипотеза может оказаться неверной, а догадки неубедительными, но однозначность и простота нашей схемы — достаточные причины, чтобы рассматривать ее серьезно». Возможно, это были не самые скромные слова. Однако Джорджи и Глэшоу на самом деле и не думали, что однозначность и простота — достаточные основания для того, чтобы считать, что их теория правильно описывает природу. Они хотели также получить экспериментальное подтверждение.

Хотя требовалось колоссальное усилие воображения, чтобы экстраполировать Стандартную модель на энергию, в десять триллионов раз большую, чем используемая, ученые осознали, что их экстраполяция имеет^проверяемое следствие. В своей статье Джорджи и Глэшоу объяснили, что их ТВО «предсказывает, что протон распадается», и экспериментаторы должны попробовать проверить это предсказание.

Единая теория Джорджи и Глэшоу предсказывает, что протоны не живут вечно. После очень долгого промежутка времени они должны распадаться. В рамках Стандартной модели такое не может случиться никогда. Обычно кварки и лептоны различаются по взаимодействиям, которые они испытывают. Но в теории Великого объединения все взаимодействия по сути одинаковы. Таким образом, так же как u-кварк может превратиться в d-кварк за счет слабого взаимодействия, кварк должен быть способен превратиться в лептон за счет единого взаимодействия. Это означает, что если идея ТВО верна, общее число кварков во Вселенной не должно оставаться неизменным, а кварк может превращаться в лептон, порождая распад протона — частицы, составленной из трех кварков.

Так как протон может распадаться в рамках ТВО, связывающей кварки и лептоны, вся знакомая нам материя является в конце концов нестабильной. Однако вероятность распада протона очень мала — его время жизни намного превышает возраст Вселенной. Это означает, что даже такое яркое событие, как распад протона, имеет мало шансов быть зарегистрированным, так как оно происходит слишком редко.

Чтобы получить свидетельства распада протона, физики должны соорудить очень большие установки и провести на них долго длящиеся эксперименты, в которых изучается огромное число протонов. В этом случае, даже если каждый отдельный протон распадается неохотно, большое число протонов резко увеличит шансы, что эксперимент сможет зарегистрировать распад одного из них. Даже если вероятность выиграть в лотерею очень мала, она станет намного большей, если вы купите миллионы билетов.

Физики действительно построили такие большие многопротонные экспериментальные установки, в том числе установку Ирвин/Мичиган/Брукхейвен (ИМБ), расположенную в шахте Хоумстейк в Южной Дакоте, и установку Камиоканде — цистерну с водой и детекторы, спрятанные под землей на километровой глубине в Камиока, Япония. Хотя распад протона — исключительно редкий процесс, эти эксперименты уже должны были подтвердить его существование, если ТВО Джорджи — Глэшоу верна. К сожалению, несмотря на честолюбивые замыслы, никто пока что не сумел обнаружить такой распад.

Это не означает, что объединение взаимодействий исключается. На самом деле, благодаря более точным измерениям взаимодействий, мы знаем теперь, что исходная модель, предложенная Джорджи и Глэшоу, почти наверняка неверна, и объединить взаимодействия может только расширенная версия Стандартной модели. Оказывается, что в таких моделях предсказывается более долгое время жизни протона, так что до сих пор распад протона и не должен был быть обнаружен.

Сегодня мы на самом деле не знаем, является ли объединение взаимодействий истинным свойством природы, или, если это так, то что оно означает. Вычисления показывают, что объединение может происходить в нескольких моделях, о которых я поговорю ниже, включая суперсимметричные модели, модели с дополнительными измерениями Хоржавы — Виттена, и модели с закрученными дополнительными измерениями, которые развивали Раман Сундрум и я. Модели с дополнительными измерениями особенно занимательны, так как они могут привести в общее стадо гравитацию и действительно объединить все известные взаимодействия. Эти модели также важны потому, что в исходных моделях объединения предполагалось, что в области выше масштаба слабых взаимодействий могут быть найдены только новые частицы с массами, имеющими массы порядка масштаба ТВО[121]. Новые модели показывают, что объединение может произойти даже в том случае, если существует много новых частиц, которые могут рождаться при энергиях выше масштаба слабых взаимодействий.

Однако, как ни восхитительна идея объединения взаимодействий, физики в наше время разделились во мнениях о ее теоретических достоинствах согласно тому, предпочитают ли они в физике подход «сверху вниз» или «снизу вверх». Идея ТВО воплощает подход «сверху вниз». Джорджи и Глэшоу сделали смелое предположение об отсутствии частиц с массой между тысячью ГэВ и тысячью триллионов ГэВ и построили гипотетическую теорию, основанную на этом предположении. Великое объединение было первым шагом к началу споров среди физиков-частичников, которые продолжаются сейчас в отношении теории струн. Обе теории экстраполируют физические законы от измеряемых энергий до энергий, по меньшей мере в десять триллионов раз больших. Позднее Джорджи и Глэшоу усомнились в отношении подхода «сверху вниз», который представляют теория струн и поиск Великого объединения. С тех пор они развернули свой курс и сейчас сосредоточились на низкоэнергетической физике.

Хотя единые теории имеют ряд привлекательных черт, я не уверена, приведет ли их изучение к правильным взглядам на природу. Энергетическая щель между тем, что мы знаем, и тем, куда мы экстраполируем, чудовищно велика, и можно вообразить кучу возможностей того, что может случиться между этими значениями. В любом случае, пока распад протона не будет обнаружен (если это вообще когда-нибудь произойдет), будет невозможно с уверенностью установить, действительно ли взаимодействия объединяются при высокой энергии. До тех пор теория остается в области великой, но теоретической, догадки.

Что стоит запомнить

• Виртуальные частицы — это частицы, имеющие те же заряды, что и реальные физические частицы, но с энергиями которых не все в порядке.

• Виртуальные частицы существуют лишь очень короткое время; они постоянно одалживают энергию у вакуума — состояния Вселенной без частиц.

• Квантовые вклады в физические процессы возникают от виртуальных частиц, взаимодействующих с реальными частицами. Эти вклады от виртуальных частиц влияют на взаимодействия реальных частиц за счет рождения и уничтожения, и действуют как посредники между реальными частицами.

• Анархический принцип утверждает, что при рассмотрении свойств частиц всегда должны учитываться квантовые вклады.