Суперсила

Какая же энергия необходима, чтобы проникнуть «внутрь» 7-сферы и исследовать дополнительные измерения пространства? Согласно теории Калуцы-Клейна, требуется превзойти масштаб Великого объединения и достичь энергий, эквивалентных 10^19 масс протона. Лишь при таких невообразимо огромных энергиях удалось бы непосредственно наблюдать проявления дополнительных измерений пространства.
Эта огромная величина – 10^19 масс протона – носит название массы Планка, так как она была впервые введена Максом Планком, создателем квантовой теории. При энергии, соответствующей массе Планка, все четыре взаимодействия в природе слились бы в единую Суперсилу, а десять пространственных измерений оказались бы полностью равноправными. Если бы удалось сконцентрировать достаточное количество энергии, обеспечивающее достижение массы Планка, то полная размерность пространства проявилась бы во всем своем великолепии.
Дав свободу воображению, можно представить, что однажды человечество овладеет Суперсилой. Если бы это случилось, то мы обрели бы власть над природой, поскольку Суперсила в конечном счете порождает все взаимодействия и все физические объекты; в этом смысле она является первоосновой всего сущего. Овладев Суперсилой, мы смогли бы менять структуру пространства и времени, по-своему искривить пустоту и привести в порядок материю. Управляя Суперсилой, мы смогли бы по своему желанию создавать или превращать частицы, генерируя новые экзотические формы материи. Мы даже смогли бы манипулировать размерностью самого пространства, создавая причудливые искусственные миры с немыслимыми свойствами. Мы стали бы поистине властелинами Вселенной!
Но как этого достичь? Прежде всего необходимо добыть достаточное количество энергии. Чтобы представить, о чем идет речь, напомним, что линейный ускоритель в Станфорде длиной 3 км разгоняет электроны до энергий, эквивалентных 20 массам протона. Для достижения энергии Планка ускоритель потребовалось бы удлинить в 10^18 раз, сделав его размером с Млечный Путь (около ста тысяч световых лет). Подобный проект не из тех, что удастся осуществить в обозримом будущем.
В теории Великого объединения отчетливо различаются три пороговых значения, или масштаба, энергии. Прежде всего – это порог Вайнберга-Салама, эквивалентный почти 90 массам протона, выше которого электромагнитные и слабые взаимодействия сливаются в единое электрослабое. Второй масштаб, соответствующий 10^14 массам протона, характерен для Великого объединения, и основанной на нем новой физики. Наконец, предельный масштаб – масса Планка, – эквивалентный 10^19 массам протона, соответствует полному объединению всех взаимодействий, в результате чего мир поразительно упрощается. Одна из самых больших нерешенных проблем состоит в объяснении существования этих трех масштабов, а также причины столь сильного различия первого и второго из них.
Современная техника способна обеспечить достижение лишь первого масштаба. Как отмечалось в предыдущей главе, распад протона мог бы дать нам косвенное средство для изучения физического мира в масштабе Великого объединения, хотя в настоящее время, по-видимому, нет никаких надежд непосредственно достичь этот предел, не говоря уже о масштабе массы Планка.
Означает ли это, что мы никогда не сможем наблюдать проявлений изначальной суперсилы и невидимых семи измерений пространства. Используя такие технические средства, как сверхпроводящий суперколлайдер, мы быстро продвигаемся по шкале достижимых в земных условиях энергий. Однако создаваемая людьми техника отнюдь не исчерпывает всех возможностей – существует и сама природа. Вселенная представляет собой гигантскую естественную лабораторию, в которой 18 млрд. лет назад был «проведен» величайший эксперимент в области физики элементарных частиц. Мы называем этот эксперимент Большим взрывом. Как будет сказано далее, этого изначального события оказалось достаточно для высвобождения – хотя и на очень короткое мгновение – Суперсилы. Впрочем, этого, видимо, оказалось достаточно, чтобы призрачное существование Суперсилы навсегда оставило свой след.

В ТВО теоретикам удалось собрать в рамках одной концепции три очень различных вида взаимодействий; как мы узнали из предыдущих глав, это обусловлено тем, что все три взаимодействия могут быть описаны с помощью калибровочных полей. Основное свойство калибровочных полей состоит в существовании абстрактных симметрий, благодаря которым этот подход обретает элегантность и открывает широкие возможности. Наличие симметрий силовых полей достаточно определенно указывает на проявление некоторой скрытой геометрии. В возвращенной к жизни теории Калуцы – Клейна симметрии калибровочных полей приобретают конкретность – это геометрические симметрии, связанные с до-волнительными измерениями пространства.
Как и в первоначальном варианте, взаимодействия вводятся в теории путем присоединения к пространству-времени дополни-тельных пространственных измерений. Однако, поскольку теперь надо дать пристанище взаимодействиям– трех типов, приходится вводить несколько дополнительных измерений. Простой подсчет количества операций симметрии, входящих в ТВО, приводит к теории с семью дополнительными пространственными измерениями (так что их общее число достигает десяти); если же учесть время, то всего пространство-время насчитывает одиннадцать измерений. Таким образом, современный вариант теории Ка-луцы – Клейна постулирует одиннадцатимерную вселенную.

В 1926 г. шведский физик Оскар Клейн предложил блестящий по простоте ответ на вопрос о том, куда же исчезло пятое измерение Калуцы. Клейн предположил, что мы не замечаем дополнительного измерения потому, что оно в некотором смысле “свернулось” до очень малых размеров. Поясним это на примере шланга для полива. Издали он выглядит просто как извилистая линия. При близком рассмотрении то, что мы принимали за точку на линии, оказывается окружностью (рис. 27). Клейн предположил, что Вселенная устроена'аналогичным образом. То, что мы обычно Считаем точкой в трехмерном пространстве, в действительности является крохотной окружностью в четвертом пространственном измерении. Из каждой точки пространства в направлении ни вверх, ни вниз, ни вбок, ни куда-либо еще в воспринимаемом нами пространстве выходит небольшая “петелька”. Мы не замечаем всех этих “петель” вследствие крайней малости их размеров. Чтобы свыкнуться с идеей Клейна, требуется время. Вопервых, мы не можем представить себе, где же свертываются эти петли? Ведь они находятся не а пространстве, а расширяют его, Подобно тому, как кривая, многократно описывая петлю за петлей, вырисовывает трубку. Мы без труда представляем себе это в двух измерениях, но не в четырех. Однако предположение Клейна все-таки сохраняет смысл. При этом не возникает проблемы ни с устойчивостью орбит, ни с распространенней волн. Дело в том, что ни вещество, ни поля (в виде волн) не могут неограниченно перемещаться в дополнительном измерении. Наличие пятого измерения допустимо, однако ничто не может ускользнуть из него сколь-нибудь далеко. Тем самым теория Калуцы – Клейна, увы, не оставляет никаких надежд фантастам использовать ее для сокращения пути в пространстве.
Клейн вычислил периметр петель вокруг пятого измерения, используя известное значение элементарного электрического заряда электрона и других частиц, а также величину гравитационного взаимодействия между частицами. Он оказался равным 10^-32 см, т.е. в 10^20 раз меньше размера атомного ядра. Поэтому неудивительно, что мы не замечаем пятого измерения: оно скручено в масштабах, которые значительно меньше размеров любой из известных нам структур, даже в физике субъядерных частиц. Очевидно, в таком случае не возникает вопроса о движении, скажем, атома в пятом измерении. Скорее это измерение следует представлять себе как нечто находящееся внутри атома.

Физика пленяет в значительной мере тем, что ей часто удается объяснить окружающий мир с помощью вещей, которых мы не видим —и, более того, которые вообще не поддаются наглядному представлению, сколько бы мы ни напрягали свое воображение. Мы уже называли несколько примеров подобного рода, в том числе спин частиц, корпускулярно-волновой дуализм, а также деформируемое пространство. Некоторых подобная абстрактность физики раздражает и даже пугает. Других она, наоборот, увлекает, вызывая игру воображения. Поклонники научной фантастики стремятся найти в новой физике богатый кладезь “странных” идей.
Классический пример использования абстрактных понятий для объяснения природы дал в 1915 г. Эйнштейн, опубликовав свою поистине эпохальную общую теорию относительности. Эта работа принадлежит к числу немногих, которые знаменуют поворотные моменты в представлениях человека об окружающем мире. Красота теории Эйнштейна обусловлена не только могуществом и элегантностью уравнений гравитационного поля, но и всесокрушающим радикализмом его взглядов. Теория Эйнштейна не только смела одним махом ньютоновскую теорию гравитации и механику, но и разрушила представление о гравитации как о силе. Общая теория относительности уверенно провозгласила, что гравитация представляет собой геометрию искривленного пространства. Таким образом, Эйнштейн свел само понятие гравитации к чистой геометрии. На смену представлению об ускорении в пространстве пришло представление об искривлении пространства.

Супергравитация – это последнее достижение, венчающее долгий поиск единства в физике. И хотя она пребывает еще в стадии формирования, ее успехи сулят надежду на решение трех главных проблем теоретической физики: как объединить все четыре фундаментальных взаимодействия в единственной суперсиле; как объяснить существование всех фундаментальных частиц (они необходимы для поддержания суперсимметрии); почему гравитация гораздо слабее остальных фундаментальных взаимодействий?
Уверенность в благополучном исходе исследований в некоторых кругах ученых настолько сильна, что Стивен Хокинг видит в супергравитации N = 8 кульминацию теоретической физики. Действительно, эта теория в принципе способна дать объяснение всему, с чем имеет дело физика, – всем взаимодействиям и всем частицам. Если Хокинг прав (хотя, возможно, еще не пришло время физикам-теоретикам переквалифицироваться, скажем, в биохимики), то супергравитация принципиально отличается от прочих физических теорий. До сих пор физические теории. рассматривались лишь как модели, которые приближенно описывают реальность. По мере усовершенствования моделей согласие теории с реальностью улучшалось. Некоторые физики теперь утверждают, что супергравитация и есть сама реальность, что эта модель идеально согласуется с реальным миром. Возможно, слишком амбициозное утверждение, но по нему можно судить об эйфории, порожденной последними достижениями.
Крайне неясные перспективы экспериментальной проверки Многих новых идей противостоят энтузиазму теоретиков. На заседании Лондонского Королевского общества Вайнберг подчеркнул безысходность сложившейся ситуации. “Квантовая гравитация, по-видимому, недоступна любой экспериментальной проверке, которую мы способны придумать, – заявил он. – Физика в основном вступает в такую эру, когда эксперименты уже не в состоянии пролить свет на фундаментальные проблемы. Положение очень тревожно”. Я спросил у Вайнберга, не означает ли это, что физика становится чисто умозрительной. “Не думаю, – ответил он.– Я надеюсь, что острый ум экспериментаторов найдет какой-то выход”. Но он признался, что даже не представляет, каким мог бы быть выход.
В то время, когда я писал эту книгу, разработка единой теории существенно продвинулась вперед, и смутно обозначились контуры полной теории, хотя до ее экспериментальной проверки все еще очень далеко. Подобно многим заманчивым образам единая теория может оказаться миражом, но впервые за всю историю науки у нас складывается представление о том, как будет выглядеть законченная научная теория всего сущего.

Описание гравитации на языке суперсимметрии получило название супергравитации. От обычной гравитации супергравитация отличается тем, что гравитон здесь уже не единственный переносчик гравитационного взаимодействия. В качестве переносчиков выступает целое суперсимметричное семейство, в том числе загадочные частицы со спином 3/2, которые физики назвали “гравитино”.
Детальная структура этого семейства зависит от математического представления суперсимметрии, которому теоретик отдаёт предпочтение. Самое плодотворное представление называется супергравитацией N = 8. В нем рассматривается семейство частиц внушительных размеров: 70 частиц со спином О, 56 – со спином 1/2; 28 – со спином 1 и 8 – со спином 3/2, а также единственный гравитон со спином 2. Возникает любопытный вопрос: можно ли отождествить все эти частицы с известными в природе, т.е. с кварками, лептонами и переносчиками взаимодействий? Если можно, то мы располагаем единой теорией природы, которая не только включает все частицы вещества в одно суперсемейство, но и “обобществляет” всех переносчиков взаимодействий, тем самым объединяя все взаимодействия. Таким образом, супергравитация создает основу для полного объединения, в рамках которого весь мир управляется единственной верховной суперсилой – суперсилой, предстающей перед нами различными гранями: то как электромагнитное взаимодействие, переносимое фотонами, то как сильное взаимодействие, переносимое глюонами, и т.д., но все эти грани связаны между собой суперсимметрией (см. табл. 5).
В действительности супергравитация выходит и за такие рамки. Она дает единое описание взаимодействия и вещества. В основе как взаимодействия, так и вещества лежат квантовые частицы, причем фотоны, W– и Z-частицы, а также глюоны относятся к бозонам, тогда как кварки и лептоны – относятся к фермионам. В суперсимметрии все они объединены. Подобно тому как гравитон сопровождается гравитино, переносчики других фундаментальных взаимодействий сопровождаются новыми частицами, получившими названия фотино, вино, зино и глюино!
Существование всех этих “ино” решающим образом сказывается на математической формулировке теории, в особенности на доставляющем столько беспокойства вопросе о перенормируемости. Грубо говоря, “ино”, относящиеся к фермионам, порождают в теории расходимости противоположного знака по сравнению с расходимостями, обусловленными бозонами, например гравитонами. Таким образом, имеется тенденция к взаимному уничтожению бесконечных членов – отрицательные бесконечности от гравитинных петель компенсируются положительными бес конечностями от гравитонных петель. По существу бесконечности “насмерть” суперсимметризуют друг друга.
С первых шагов супергравитации возник единственный острый вопрос: окажется ли суперсимметрия достаточно широкой, чтобы обеспечить перенормируемость супергравитации? Ответить на этот вопрос было нелегко. Супергравитация открывает широкое поле деятельности, привлекающее внимание десятков теоретиков, ежегодно по супергравитации публикуются сотни статей. Ее математический аппарат стал настолько сложным, что за исключением узкого круга посвященных найдется немного людей, которые понимают значение того или иного символа. В моем отделе работает один специалист по супергравитации, и обычно даже неполный расчет занимает у него стопку бумаги толщиной 10 см. Ведь как ни просты и ни изящны математические основы теории, проверка деталей может оказаться достаточно кропотливой.

Гравитация – это “белая ворона” среди других сил природы. Остальные взаимодействия имеют характер силовых полей, простирающихся в пространстве и времени, гравитация же сама представляет собой пространство и время. Общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как деформацию, искривление пространства-времени.' Это не что иное, как пустота, испытывающая возмущение.
Геометрической природе гравитационного поля, по-видимому, присуща необычайная утонченность, но именно она создает серьезные трудности при любой попытке квантового описания. На протяжении десятилетий общая теория относительности Эйнштейна не поддавалась последовательной квантовой формулировке. Несмотря на то что гравитации соответствует калибровочное поле, ее описание на языке обмена гравитонами (частицами – переносчиками гравитационного взаимодействия) дает разумные результаты только в случае простейших процессов. Камнем преткновения, как всегда, служат бесконечные члены, возникающие в уравнениях всякий раз, когда встречаются замкнутые гравитационные петли.

Поиски распада протона и магнитных монополей отражают угасающие надежды обнаружить хотя бы экспериментально проблески физических явлений, характерных для масштаба объединения. Отказаться от намеченных исследований было бы преждевременно, но многие физики приходят к заключению, что инициатива теперь принадлежит теоретикам. Лишь немногие физики-теоретики считают, что теории великого объединения – последнее слово науки. Но ведь ТВО преуспели в объединении лишь трех из четырех фундаментальных взаимодействий. Какие новые перспективы могут открыться, если появится единая теория в подлинном смысле слова?

Среди аргументов против различных ТВО называют отсутствие однозначной теории и масштаб объединения, столь далекий, что вряд ли эта теория когда-нибудь будет доступна непосредственной экспериментальной проверке. Как же в таком случае выбрать одну из соперничающих теорий? Если ТВО описывают природу в столь малых масштабах и при столь высоких энергиях, которые мы никогда не сможем наблюдать, то не превратится ли физика в метафизику? Не находимся ли мы в положении Демокрита и других греческих философов, которые без конца размышляли о формах и свойствах атомов, не имея ни малейшей надежды наблюдать их?