теперь понимаются как выражения одного и того же принципа, и было очевидно, что они должны быть объединены. Чтобы объединить все частицы, однако, вам нужно больше симметрии, чем они все содержат. Тогда вы применяете калибровочный принцип, приводящий к трем силам. Чтобы различить все частицы и силы, вы устанавливаете их так, что любая конфигурация системы, в которой реализована симметрия, является нестабильной, тогда как стабильные конфигурации асимметричны. Это нетрудно сделать, поскольку, как я обсуждал, симметричные ситуации часто нестабильны в природе. Таким образом, симметрия, включающая все частицы вместе, будет спонтанно нарушена. Это может быть сделано так, что в итоге три силы окажутся именно с теми свойствами, с которыми они наблюдаются.
Идея великого объединения была не только в том, чтобы свести все силы вместе, но и в том, чтобы придумать симметрию, которая переводит кварки (частицы, управляемые сильным взаимодействием) в лептоны (частицы, управляемые электрослабым взаимодействием), поэтому объединение двух основных видов частиц приводит только к одному виду частиц и к одному калибровочному полю. Простейший кандидат на это великое объединение известен как симметрия SU(5). Название кодирует пять видов частиц, трансформирующихся друг в друга при симметрии: три цветных кварка каждого вида и два лептона (электрон и его нейтрино). SU(5) не только объединяет кварки и лептоны, она делает это с беспримерной элегантностью, лаконично объясняя все, что делалось в стандартной модели, и делая необходимым многое из того, что ранее было случайным. SU(5) объясняет все предсказания стандартной модели и, даже лучше, делает некоторые новые предсказания.
Одно из этих новых предсказаний заключалось в том, что должны существовать процессы, посредством которых кварки могут видоизмениться в электроны и нейтрино, поскольку в SU(5) кварки, электроны и нейтрино являются только различными проявлениями одного и того же основополагающего вида частиц. Как мы видели, когда две вещи объединяются, должны проявиться новые физические процессы, путем которых они могут переходить друг в друга. SU (5) на самом деле предсказывает такие процессы, которые сходны с радиоактивным распадом. Это чудесное предсказание, характеризующее великое объединение. Это требуется теорией и характерно только для нее.
Распад кварка на электроны и нейтрино должен был бы иметь наблюдаемые последствия. Протон, содержащий этот кварк, больше не был бы протоном; он распался бы на более простые части. Таким образом, протоны больше не являются стабильными частицами – они подвергаются разновидности радиоактивного распада. Конечно, если бы это происходило очень часто, наш мир распался бы, так как все стабильное в нем состоит из протонов. Так что, если протоны распадаются, темп распада должен быть очень малым. И это именно то, что предсказывает теория: темп менее одного такого распада каждые 1033 лет.
Но даже если этот эффект экстремально редок, он в пределах достижимости осуществимого эксперимента, поскольку в мире имеется гигантское количество протонов. Итак, в SU(5) мы имели лучший вид унифицирующей теории, в котором были удивительные следствия, которые не противоречили тому, что мы знаем и можем немедленно подтвердить. Мы могли бы компенсировать экстремальную редкость распада протона, построив гигантскую емкость и наполнив ее ультрачистой водой, чтобы был шанс, что где-то в емкости протон распадется не реже раза в год. Вы должны были бы защитить емкость от космических лучей, поскольку эти лучи, постоянно бомбардирующие Землю, могут разорвать протон на части. Затем, поскольку распад протона производит много энергии, все, что вам было бы нужно, это окружить емкость детекторами и ждать. Средства были выделены, и гигантская емкость была построена в шахтах глубоко под землей. Результат с нетерпением ожидался.
После примерно двадцати пяти лет мы все еще ждали. Ни один протон не распался. Мы ждали достаточно долго, чтобы понять, что унификация SU(5) не верна. Это прекрасная идея, но, кажется, из тех, что природа не приняла.
Недавно я случайно встретил друга из аспирантуры – Эдварда Фархи, который с тех пор стал директором Центра теоретической физики в Массачусетском технологическом институте. Мы не имели серьезного общения, вероятно, двадцать лет, но мы нашли, что имеем очень много, о чем поговорить. Мы оба наблюдали за тем, что происходило и что не происходило в физике частиц за двадцать пять лет с тех пор, как мы получили наши степени доктора философии. Эдди сделал важный вклад в теорию частиц, но сейчас работает, большей частью, в быстро развивающейся области квантовых компьютеров. Я спросил его, почему, и он сказал, что в сфере квантовых компьютеров, в отличие от физики частиц, мы знаем, каковы принципы, мы можем выработать следствия, и мы можем провести эксперименты, чтобы проверить сделанные нами предсказания. Он и я искали место приложения сил, когда физика частиц начала переставать быть быстро развивающейся областью, что в свое время повлекло нас в аспирантуру. Мы оба пришли к заключению, что поворотным пунктом было открытие того, что протон не распадается за то время, которое предсказано теорией великого объединения SU(5). 'Я готов был побиться об заклад на свою жизнь – ладно, не на свою жизнь, но ты знаешь, что я имею в виду, – что протон должен распадаться,' – так он это определил, – 'SU(5) была такой красивой теорией, все встраивалось в нее совершенным образом, – и она оказалась не верной.'
В самом деле, было тяжело переоценить последствия отрицательного результата. SU(5) была самым элегантным из вообразимых способов объединения кварков с лептонами, и она приводила к кодификации свойств стандартной модели в простых терминах. Даже после двадцати пяти лет я все еще нахожу ошеломляющим тот факт, что SU(5) не работает.
Не то, чтобы это было тяжело для нас, теоретиков, выбраться из текущей неудачи. Вы можете просто добавить в теорию несколько симметрий и частиц, так что там будет больше констант для подгонки. С большим количеством подгоночных констант вы можете устроить распад протона столь редким, как вам нравится. Так что вы можете легко защитить теорию от экспериментальной неудачи.
Как упоминалось, ущерб уже нанесен. Мы потеряли шанс наблюдения поразительного и однозначного предсказания глубокой новой идеи. В его простейшей версии великое объединение сделало предсказание относительно темпа распада протона. Если великое объединение верно, но более сложно, так что темп распада протона может быть подогнан ко всему, что нам нравится, теория теряет способность к объяснению. Надежда была в том, что объединение сможет оценить величины констант в стандартной модели. Вместо этого великое объединение, если оно имеет силу, вводит новые константы, которые должны быть заданы руками, чтобы скрыть эффекты, которые не согласуются с экспериментом.
Мы видим здесь иллюстрацию общего урока, описанного ранее. Когда вы объединяете различные частицы и силы, вы рискуете внести в мир нестабильности. Это происходит потому, что появляются новые взаимодействия, через которые объединенные частицы могут преобразовываться друг в друга. Нет способа избежать этих нестабильностей; на самом деле, такие процессы сами по себе являются доказательством объединения. Единственный вопрос в том, работаем ли мы с хорошим случаем – подобным стандартной модели, которая делает недвусмысленные предсказания, которые быстро подтверждаются, – или с неподходящим случаем, в котором мы играем с теорией, чтобы скрыть последствия. Такова дилемма современных теорий унификации.
5
От объединения к суперобъединению
Крах первой из теорий великого объединения вызвал кризис в науке, который продолжается до сегодняшнего дня. До 1970х теория и эксперимент разрабатывались рука об руку. Новые идеи проверялись в течение нескольких лет, самое большее десяти. Каждое десятилетие с 1780х по 1970е демонстрировало значительный прогресс в нашем понимании основ физики, и в каждом продвижении вперед теорию поддерживал эксперимент, но с конца 1970х не было ни одного настоящего прорыва в нашем понимании физики элементарных частиц.
Когда рушится большая идея, есть два пути реакции на это. Вы можете понизить планку и отступить к небольшому приросту науки, медленно исследуя границы знания с помощью новых теоретических и экспериментальных методик. Многие физики, работавшие в области частиц, сделали это. В результате стандартная модель очень хорошо проверена экспериментально. Самая большая побочная находка последней четверти века заключается в том, что нейтрино имеют массу, но это открытие может быть согласовано минимальной подгонкой стандартной модели. Кроме этого не было сделано никаких модификаций.
Другой путь реагирования на крах большой идеи заключается в попытке сделать даже больше нее. Сначала несколько теоретиков, затем растущее их число выбрали эту дорогу. Это дорога, которую нам стоило бы оставить в покое; до сегодняшнего дня ни одна из новых идей не получила никакой экспериментальной поддержки.
Из больших идей, которые были придуманы и изучены за эти годы, одна, которая получила наибольшее внимание, называется суперсимметрией. Если она верна, она станет столь же фундаментальной частью нашего понимания природы, как теория относительности и калибровочный принцип.
Мы видели, что большие унификации находят скрытые взаимосвязи между аспектами природы, которые раньше мыслились различными. Пространство и время исходно были очень разными концепциями; СТО их объединила. Геометрия и гравитация были некогда совсем не связанными; ОТО их объедиила. Но все еще есть два больших класса вещей, которые составляют населяемый нами мир: частицы (кварки, электроны и т. д.), которые составляют вещество, и силы (или поля), с помощью которых они взаимодействуют.
Калибровочный принцип объединил три силы. Но мы все еще остаемся с этими двумя различными сущностями: частицами и полями. Их унификация была целью двух предыдущих попыток, теории эфира и единой теории поля, и каждая провалилась. Суперсимметрия является третьей попыткой.
Квантовая теория говорит, что частицы являются волнами и волны являются частицами, но это на самом деле не приводит к объединению частиц с силами. Причина в том, что в квантовой теории остаются два широких класса элементарных объектов. Они называются фермионами и бозонами.
Все частицы, которые составляют вещество, такие как электроны, протоны и нейтрино, являются фермионами. Все силы состоят из бозонов. Фотон является бозоном, и такими же являются частицы, вроде W и Z частиц, связанные с другими калибровочными полями. Частица Хиггса также бозон. Суперсимметрия предлагает способ объединить эти два больших класса частиц, бозоны и фермионы. И она делает это очень творческим способом, предположив, что каждая известная частица имеет до этого не виданного суперпартнера.
Грубо говоря, суперсимметрия является процессом, при котором вы можете заменить один из фермионов на бозон в некотором эксперименте без изменения вероятностей различных возможных исходов. Это сложно сделать, поскольку фермионы и бозоны имеют очень разные свойства. Фермионы подчиняются принципу запрета (или исключения), найденному Вольфгангом Паули в 1925, который говорит, что два фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. По этой причине все электроны в атоме не сидят на низшей орбитали; раз уж один электрон находится на отдельной орбите или в квантовом состоянии, вы не можете поместить другой электрон в то же состояние. Принцип запрета Паули объясняет многие свойства атомов и материалов. Бозоны, однако, ведут себя противоположным образом: Они любят делить состояния. Когда вы помещаете фотон в определенное квантовое состояние, вы делаете более вероятным, что другой фотон найдет свой путь в это же самое состояние. Это влечение объясняет многие свойства полей, подобных электромагнитному полю.
Так что сначала кажется сумасшедшим, что вы могли бы придумать теорию, в которой вы могли бы заменить бозон на фермион и все еще получить стабильный мир. Но правдоподобно это или нет, четверо русских нашли, что они могли бы записать последовательную теорию именно с такой симметрией,
