Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Результат стал большим сюрпризом, по крайней мере для меня. В те ранние годы соответствующие измерения были все еще довольно неточны, и поэтому линии на илл. 40 были толще, указывая на большую неопределенность. Эти более толстые линии действительно пересеклись. Другими словами, учитывая неопределенности, представлялось возможным, что силы различных взаимодействий действительно объединяются на малых расстояниях. Это было манящей подсказкой, известной теоретикам в этой области. К моему удивлению, наши расчеты показали, что, хотя суперсимметричные модели и содержали гораздо больше флуктуирующих флюидов, они также работали! Ответы отличались – в зависимости от того, учитывали вы суперсимметрию или нет, – но ни один не противоречил существовавшим экспериментальным данным.

Это послужило поворотным моментом. Мы отложили в сторону «не вполне ошибочные» сложные модели, в которых пытались соответствовать действительности в деталях. Вместо этого Савас, Стюарт и я написали короткую статью, которая, на первый взгляд, была совершенно нереалистичной (т. е. неверной). Без нарушения суперсимметрии то, что мы предлагали, было слишком хорошо для этого мира. Тем не менее оно давало результат, который был настолько очевидным и успешным, что заставил считать идею об объединении объединений – т. е. о совмещении объединения взаимодействий

сильное + слабое + электромагнитное

с суперсимметричным объединением

вещество + взаимодействие

(возможно) правильной. Мы оставили вопрос о том, как нарушается суперсимметрия, на будущее.

Иногда самый важный шаг в понимании чего-то состоит в том, что надо понять, что вам не следует беспокоиться обо всем. Обычно лучше быть (возможно) правым в чем-то конкретном, чем иметь «не вполне ошибочную» теорию обо во всем.

Драгоценный венец?

Илл. 41 демонстрирует, что выявили наши расчеты.

Суперсимметрия вводит новые источники активности в пространстве – новые виды квантовых флуктуаций (или виртуальных частиц). Поэтому мы должны вернуться к илл. 40, чтобы включить в нее дополнительные поправки на искажения от этих флуктуаций. Конечно, мы воспользуемся самыми лучшими из имеющихся экспериментальных данных, поэтому наши линии будут такими же тонкими.

Если сделать это, то все получается! Интенсивности различных взаимодействий – сильного, слабого и электромагнитного – сходятся в одной точке с впечатляющей точностью.

Более того, до сих пор мы оставляли четвертое взаимодействие, гравитацию, за скобками наших дискуссий об объединении. Это было стратегическим решением. Объединение трех других взаимодействий представляет собой намного более близкую к решению и более простую задачу. Сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия описываются очень похожими теориями. Каждое из них является воплощением локальной симметрии пространства свойств. И хотя наблюдаемые интенсивности этих взаимодействий отличаются, как видно из разброса точек на илл. 40 и 41, они не так уж безумно несоразмерны. По факту они отличаются менее чем в 10 раз.

Илл. 41. После добавления эффектов от новых квантовых флюидов, существования которых требует суперсимметрия, происходит точное объединение

Гравитация отличается от них в обоих отношениях. Описывающая его теория – общая теория относительности Эйнштейна – также является воплощением локальной симметрии, как мы уже говорили, но это симметрия (локальная галилеева симметрия) другого рода. Еще более устрашает его абсурдная несопоставимость по силе взаимодействия. Гравитационное взаимодействие между элементарными частицами при доступных нам энергиях гораздо, гораздо, гораздо слабее, чем другие взаимодействия. Если бы каждое слово «гораздо» соответствовало множителю «10», нам бы пришлось произнести его 40 раз! И поэтому на илл. 41 не видно кружка, представляющего наблюдаемую интенсивность гравитационного взаимодействия. Ведь этот кружок в масштабе нашего графика находится далеко, далеко, далеко вне видимой Вселенной. Требуется приблизительно 27 множителей «10», чтобы перейти от размера нашего рисунка к размеру видимой Вселенной, и еще 13 множителей останется!

Тем не менее мы все же можем включить в игру и гравитацию. И если мы настойчивы, мы будем вознаграждены.

Тяготение реагирует непосредственно на энергию, поэтому, когда мы исследуем его (с помощью ума и карандаша) на все более высоких энергиях, его интенсивность увеличивается пропорционально. Этот прямой рост интенсивности – количественно намного более мощный эффект, чем изменения в интенсивностях других взаимодействий из-за квантовых флуктуаций. На илл. 41 дуга, изображающая величину, обратную интенсивности тяготения, резко ныряет вниз. Она не только возвращается в видимую Вселенную, но и довольно-таки близко подходит к трем другим взаимодействиям, когда они объединяются.

Следовательно, на уровне интенсивностей мы приходим к полному объединению между всеми четырьмя основными взаимодействиями

сильное + слабое + электромагнитное + гравитационное.

Это достижение само по себе не является действительно полной теорией объединения. Например, вы могли заметить, что, если бы мы продолжили прямые линии илл. 41 направо, взаимодействия «разъединились» бы снова! Для сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий мы можем описать объединение в деталях. Мы не можем вывести совершенно однозначную теорию – пока для этого недостаточно информации, – но возможные теории имеют много общего. В частности, они все требуют существования новых, очень тяжелых частиц, наподобие мутатронов, которые мы упоминали ранее. Флуктуации, связанные с этими частицами и не включенные в илл. 41, заставляют соединившиеся линии оставаться вместе после того, как они встретились. (А до этого момента они не оказывают существенного влияния.) Когда мы пытаемся включить сюда гравитацию, неопределенности становятся гораздо больше. Главная цель теории струн состоит в том, чтобы объяснить, как гравитация объединяется с другими взаимодействиями, но до настоящего времени эта цель оказывалась недостижимой.

Несмотря на известные ограничения, это объединение взаимодействий – выдающийся результат. Оно появляется в результате поиска ответа на наш Вопрос о Красоте и венчает его. Оно подтверждает, с впечатляющей точностью и ясностью, что красота в конкретной форме глубокой симметрии действительно воплощается в мире.

Или не воплощается?

Чтобы завершить наше представление о мире, нам пришлось призвать на помощь суперсимметрию. Поскольку на сегодняшний день пока нет никаких прямых доказательств наличия суперсимметрии, это допущение остается сомнительным. (Но успех нашего расчета для меня является сильным косвенным доказательством!)

К счастью, мы можем ее протестировать. Если новые частицы, которые предсказывает суперсимметрия, собираются выполнить работу, которую мы им поручили, они не могут быть слишком тяжелыми. Большие массы подавляют их квантовые флуктуации, и они превратили бы илл. 41 обратно в илл. 40. Большой адронный коллайдер скоро – в течение следующих пяти лет – должен оказаться в состоянии сконцентрировать достаточно энергии, чтобы начать производить некоторые из этих частиц. Держу пари, что так и будет.

Доверяем Красоте

Богу доверяем, остальные платят наличными.

Джин Шеперд (заголовок книги[84])

Мы доверяем красоте, когда создаем наши теории, но их «стоимость в наличных деньгах» зависит от других факторов. Их истинность является очень желательной, но это не единственный и даже не самый важный критерий. Механика Ньютона (основанная на сохранении массы) и его теория цветов (которая основана на сохранении спектральных типов), например, не являются строго истинными, и все же это чрезвычайно ценные теории. Плодотворность – способность теории предсказать новые явления и дать нам власть над Природой – также является важной частью уравнения.

Вера в красоту часто окупалась в прошлом. Теории гравитации Ньютона бросило вызов движение Урана, которое не подчинялось ее предсказаниям. Урбен Леверрье, а также Джон Коуч Адамс, верившие в красоту теории, решились предположить существование новой планеты, еще не наблюдавшейся, чье влияние могло бы все объяснить. Их вычисления подсказали астрономам, куда смотреть, и привели к открытию Нептуна. Выдающийся синтез Максвелла, как мы видели, предсказал новые цвета света, невидимые для наших глаз и еще не наблюдавшиеся. Доверяя красоте теории, Герц произвел и наблюдал радиоволны. Ближе к нашему времени Поль Дирак предсказал с помощью странного и красивого уравнения существование античастиц, которые еще никогда не наблюдались, но вскоре после этого были обнаружены. Главная теория, прочно основанная на симметрии, дала нам цветные глюоны, W- и Z-частицы, частицу Хиггса, очарованный кварк и частицы третьего семейства – все путем предсказаний, до их экспериментального наблюдения.