Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

Теперь нам придется вступить в мутное интеллектуальное болото, где, пробираясь сквозь топи абстракций, мы надеемся набрести на объединение сильного и электрослабого взаимодействий, и соответственно на объединение лептонов и адронов в единый зоопарк. И снова нашим гидом, видимо, должна быть симметрия. Мы можем подозревать, что хорошо усовершенствованная группа преобразований симметрии приведет нас к успешной демонстрации того, что сильное взаимодействие и электрослабое взаимодействие есть просто две различные стороны одной силы. Если вам нужна конкретная аналогия, отличная от вращающегося куба, демонстрирующего то квадратную, то шестиугольную форму, представьте себе более сложный многогранник, показывающий с одних точек зрения квадраты и шестиугольники, а с других восьмиугольники: все эти формы являются проявлениями одного объекта.

Теория этого объединения носит название ТВО, теории великого объединения. В тот момент, когда люди убедились в том, что они обнаружили более богатую группу симметрии, возникло несколько различных предложений. Эксперименты помогают осуществлять и оценивать выбор. Например, поскольку кварки и лептоны согнали из своих отдельных парков в единое стадо в общий район зоопарка, существует возможность, что кварк превратится в электрон, а протон поэтому распадется. Простейший выбор более крупной группы, называемой SU(5) и представляющей собой сочетание групп SU(3), SU(2) и U(1) для сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия, соответственно предполагает, что время жизни протона имеет порядок 1027-1031 лет. Эксперименты, однако, показывают, что это время жизни не меньше чем 1032 лет. Это расхождение показывает, что простейший выбор более богатой группы неприемлем, и в настоящее время изучаются более сложные симметрии. Если эта программа приведет к успеху (а ученые, будучи оптимистами в отношении того, чем они занимаются, имеют мало сомнений на этот счет), то конечное время жизни протона будет иметь фундаментальные последствия для долговременного будущего Вселенной, как мы увидим в главе 8.

Наш фермионный зоопарк состоит из лептонов и адронов, которые, как теперь ясно, пасутся вместе. Имеется также зоопарк бозонов, населенный частицами-передатчиками сил, которые соединяют вместе фермионы, создавая протоны и людей, и в конечном счете дают возможность совокупностям фермионов высказывать свое мнение. Эти силы являются проявлениями единой силы. А не может ли быть, что существует даже более крупная, более сложная группа преобразований симметрии в абстрактном внутреннем пространстве некоторого вида — и еще более крупный, более сложный многогранник, — которая поворачивает некую целостность так, что одна ее сторона оказывается фермионом, а другая оказывается бозоном? Существует некоторое экспериментальное предположение, что такая группа суперсимметрии действительно существует, что каждая частица — электрон, мезон, нейтрино, кварк, калибровочный бозон, фотон — различные лики одной целостности. Конечно, тогда должно существовать и много нарушений симметрии, поскольку частицы имеют сильно различающиеся массы, но у периодической таблицы есть те же проблемы, и мы знаем, как можно обращаться с приобретением различных масс и позволить частицам Хиггса в различной степени склеиваться с безмассовыми частицами. Если суперсимметрия преуспеет в том, чтобы показать эквивалентность фермионов и бозонов, то силы и частицы станут внутренне неразличимыми, и все станет одной-единственной вещью. Симметрия экономна, а суперсимметрия суперэкономна. Однако в науке вера только гид, но не критерий.

Когда исследуют эту идею, появляется много признаков ее работоспособности. Однако эта теория предсказывает также существование партнеров для известных частиц. Эти суперсимметричные партнеры, включающие сэлектроны, скварки, снейтроны, фотино, W-ино, Z-ино и глюино, отличаются от их общеизвестных партнеров на половину спина. Так, сэлектрон, например, имеет нулевой спин, а фотино имеет спин 1/2. Проблема лишь в том, где они? Можно повторить обычные ответы: либо они не существуют (потому что Вселенная не суперсимметрична), либо они столь тяжелые, что ни один ускоритель не способен произвести их. Ответа не знает никто, но если вы имеете вкус к красоте, вы, вероятно, склонны поверить, что Вселенная прекрасна настолько, насколько это возможно, и поэтому суперсимметрична.

Имеется несколько еще не разрешенных вопросов, на которые нам следует бросить взгляд. В процессе чтения вы уже могли их заметить. Один из них; почему вещество преобладает над антивеществом? Другой: почему имеется три семейства фермионов? Третий: почему существует так много фундаментальных частиц? И четвертый: почему гравитация кажется такой ускользающей силой в нашем путешествии к объединению всех сил? Лежат ли ответы на все эти вопросы в симметрии Вселенной? Является ли Вселенная гораздо более прекрасной, чем мы сегодня подозреваем? Является ли она бесконечно прекрасной и абсолютно симметричной?

Да, она может быть суперсимметричной, но она определенно не является абсолютно симметричной, иначе доли вещества и антивещества в ней были бы равными. Имеются и другие указания на ее кособокость. Существует несколько очевидных, макроскопических отклонений от симметрии. Например, большинство людей являются правшами. Никто, на самом деле, не знает, почему это так: возможно, это как-то связано с небольшим смещением сердца вправо[26], но не похоже, что решение данной проблемы может предложить какое-то глубокое проникновение в природу Вселенной. Немного глубже в нашей структуре расположены аминокислоты, которые, будучи сплетены вместе в витки и полоски, образуют крайне важные белки, управляющие процессами жизни (Глава 2). Молекулы аминокислот встречаются в двух формах, одна из которых является зеркальным отражением другой. И это факт жизни, что, по крайней мере на Земле, аминокислоты, которые встречаются в наших белках, имеют одинаковое направление закручивания (в соответствии с некоторым техническим критерием, они являются леворукими). Никто не знает, почему. Возможно, это чистая случайность: отдаленный общий предок всех форм жизни пользовался лишь леворукими аминокислотами, и все живые твари унаследовали эту левизну. Кое-кто, однако, умозаключил, что преобладающая леворукость аминокислот связана с космической кособокостью Вселенной, при которой именно леворукие аминокислоты более устойчивы, и поэтому имеют преимущество перед своими праворукими зеркальными отражениями. Этого в действительности никто не знает, но было бы определенно привлекательным, если бы эту цепочку асимметрий можно было бы проследить до чего-нибудь фундаментального. Это очень помогло бы в разрешении дискуссии о том, имеют ли белки организмов, предположительно существующих где-то еще во Вселенной, ту же самую асимметрию, что и организмы Земли.

Что мы имеем в виду, говоря о кособокости Вселенной? В абсолютно симметричной Вселенной события, наблюдаемые в зеркале, были бы неотличимы от своих оригиналов, и мы никогда не могли бы сказать, смотрим мы непосредственно на Вселенную или на ее отражение в зеркале. Техническим термином для этого идеального случая является сохранение четности. Оказалось, однако, что результаты некоторых экспериментов, выполненных в 1957 г., можно отличить от их зеркальных отображений, поэтому четность не сохраняется. Вселенная не совпадает со своим отражением, она пространственно скособочена.

Тот факт, что Вселенная пространственно кривобока, создает возможность того, что она перекошена и во времени. В симметричной относительно времени Вселенной законы природы для Вселенной, движущейся, назад во времени, будут такими же, как для Вселенной, движущейся вперед. В этом случае мы не смогли бы сказать, начала ли Вселенная свое существование в нулевой момент времени и движется вперед, или она начала существование в нулевой момент времени и движется во времени назад. Более специальным и более мелкомасштабным определением является следующее: столкновение двух частиц, дающее в результате новые частицы, эквивалентно обращенному процессу, в котором эти результирующие частицы сталкиваются и порождают исходные частицы. Техническим термином для этой симметрии является выражение Т-инвариантность. Эксперименты, выполненные в 1964 г., показали, однако, что в зоопарке частиц есть один маленький и тихий уголок[27], в котором направление времени имеет значение. Этот перекос тесно связан с асимметрией вещества и антивещества, возникшей в начальный момент истории Вселенной. Мы продолжим эту историю в главе 8.

Эксперименты, таким образом, показывают, что Вселенная перекошена в пространстве и во времени. Но этот перекос не является просто случайной асимметрией, поскольку перекос пространства связан с перекосом времени. Чтобы понять эту связь, мы должны знать, что существует третий тип кособокости, называемый зарядовой сопряженностью, в котором каждая частица заменяется своей античастицей. Мы можем ожидать, что Вселенная, в которой античастицы и частицы поменялись местами, будет неотличима от исходной версии, Но это не так. Слабое взаимодействие неинвариантно относительно зарядовой сопряженности, поэтому Вселенная, в которой вещество заменено на антивещество, будет вести себя не так, как ее прототип. (Эта разница дает нам шанс опознать область антиматерии до совершения туда полета, который закончился бы катастрофой.)