Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Возможно, физики просто не замечают верных ответов. Мы, разумеется, не можем точно сказать, что хороших моделей не существует или что некоторой подгонки не потребуется. Конечно, если суперсимметрия — верное решение проблемы иерархии, то доказательства ее существования скоро будут получены на БАКе. Так что этот вариант, безусловно, стоит исследовать. Открытие суперсимметрии означало бы, что эта новая симметрия пространства–времени применима не только в теоретических изысканиях, но и в реальном мире.

Однако пока суперсимметрия не доказана, имеет смысл рассмотреть и альтернативные варианты. И первой в очереди стоит модель, известная как техницвет.

Еще в 1970–е гг. физики рассматривали и альтернативную гипотезу решения проблемы иерархии, известную как теория техницвета. В моделях этого класса фигурируют частицы, которые интенсивно взаимодействуют между собой посредством новой силы, получившей шутливое название техницветной. Суть идеи состояла в том, что сила эта действует примерно так же, как сильное взаимодействие (известное в среде физиков еще и как цветовое взаимодействие), но связывает между собой частицы на масштабе энергий, характерном для слабого взаимодействия, а не на намного более низком уровне протонных масс.

Если ответом на проблему иерархии действительно является техницвет, то БАК не произведет на свет ни одного фундаментального бозона Хиггса. Вместо этого он выдаст некое связанное состояние — что‑то похожее на адрон, которое будет играть роль частицы Хиггса. Экспериментальным свидетельством в пользу техницвета будет множество сложных частиц (связанных состояний) и сильных взаимодействий — все очень похоже на привычные адроны, но только на гораздо более высоком уровне энергий на масштабе слабого взаимодействия или даже выше.

Однако если решение проблемы иерархии — действительно техницвет, то мы должны были бы уже обнаружить тому доказательства, хотя, конечно, могли и пропустить что‑то не слишком заметное.

Кроме того, строить модели на базе теории техницвета еще сложнее, чем на основе суперсимметрии. Оказалось, что найти модель, которая согласовывалась бы со всем, что мы наблюдаем в природе, — очень нетривиальная задача, и до сих пор подобрать полностью подходящую модель не удалось.

Тем не менее экспериментаторы будут работать непредвзято; поиск техницветной силы и любого другого нового типа сильного взаимодействия тоже входит в программу, но надежды на положительный результат не слишком велики. Однако если окажется все‑таки, что именно теория техницвета лежит в фундаменте нашего мироустройства, то, может быть, Microsoft Word перестанет наконец воспринимать это слово только как название запатентованного полиграфического процесса и исправлять первую его букву на заглавную.

Ни суперсимметрия, ни техницвет не дают нам идеального решения проблемы иерархии. Суперсимметричные теории не предлагают нам экспериментально непротиворечивых механизмов нарушения суперсимметрии, а создать на основе техницветной силы теорию, которая предсказывала бы правильные массы для кварков и лептонов, еще сложнее. Поэтому физики решили отойти от шаблонов и рассмотреть идеи, на первый взгляд еще более неоднозначные. Не забывайте, что даже если теория кажется поначалу нелепой, это ничего не значит. Только после того как полностью разберемся в ее следствиях, мы сможем решить, какая из идей самая красивая и, что гораздо важнее, правильная.

Лучшее понимание теории струн и ее компонентов, которого физики добились в 1990–е гг., позволило создать новые подходы к решению проблемы иерархии. На новые идеи физиков вдохновили элементы теории струн, хотя и не обязательно непосредственно следующие из ее очень ограниченной структуры, и речь в них идет о дополнительных пространственных измерениях. Если дополнительные измерения существуют — а у нас есть основания предполагать, что они могут существовать, — то именно в них может скрываться ключ к решению проблемы иерархии. Если это действительно так, то экспериментальных доказательств тоже можно ждать от БАКа.

Дополнительные пространственные измерения — концепция довольно экзотическая. Если во Вселенной действительно есть такие измерения, то пространство вокруг нас на самом деле совсем не такое, каким мы его наблюдаем в повседневной жизни. Помимо обычных трех измерений — лево–право, верх–низ, вперед–назад (длина, ширина и высота, иначе говоря) — пространство продолжается также в иных, невидимых направлениях.

РИС. 61. Человек и крохотный муравей воспринимают натянутый канат очень по–разному. Для человека он имеет лишь одно измерение, для муравья — два

Почему мы не видим этих измерений? Причина может заключаться в том, что они слишком малы, чтобы непосредственно влиять на что‑либо из того, что мы можем наблюдать; это предположил физик Оскар Клейн еще в 1926 г. Идея в том, что из‑за ограниченных возможностей нашего восприятия некоторые измерения могут оказаться слишком маленькими и потому неразличимыми для нас. Так, гимнаст, идущий по канату, видит свой путь одномерным, тогда как крохотный муравей на том же канате может двигаться в двух измерениях (рис. 61).

В другом варианте измерения могут быть скрытыми потому, что пространство–время изогнуто или скручено — как и должно происходить по Эйнштейну в присутствии энергии. Если искривление достаточно сильное, то эффекты дополнительных измерений незаметны, как определили в 1999 г. мы с Раманом Сандра- мом. Это означает, что геометрия свернутого пространства также позволяет измерениям «прятаться».

Но почему у ученых вообще возникла мысль о каких бы то ни было дополнительных измерениях, если никто никогда ничего подобного не видел? В истории физики такое происходило не раз. Никто до поры до времени не «видел» атомы и никто не «видел» кварки. Тем не менее сегодня у нас полно экспериментальных доказательств существования и того и другого.

Никакие законы физики не утверждают, что пространственных измерений может быть только три. Общая теория относительности Эйнштейна работает при любом числе измерений. Более того, вскоре после того как Эйнштейн завершил свою теорию гравитации, Теодор Калуца расширил его идеи и предположил существование четвертого пространственного измерения, а еще через пять лет Оскар Клейн предложил вариант того, как это измерение может быть свернуто и чем оно должно отличаться от трех привычных.

Теория струн — ведущий кандидат на роль теории, объединяющей гравитацию и квантовую механику, — является еще одной причиной того, что физики сейчас всерьез думают о дополнительных измерениях. Теория струн не включает в себя очевидным образом ту теорию гравитации, с которой мы знакомы. Для этого ей необходимы дополнительные измерения.