Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Паркер Барри

А теперь вернёмся к X– частице. С ней происходит то же самое, что и с W– частицей, но при гораздо большей температуре – 10¹⁵ ГэВ. Это температура, при которой электромагнитное и сильное взаимодействия слиты воедино. При более высокой температуре X– частица не имеет массы, а по мере её снижения в результате спонтанного нарушения симметрии масса появляется. В этот же момент «вымерзнет» сильное взаимодействие. Иными словами, так же как W– частицы поглощают частицы Хиггса и приобретают массу, X– частицы «проглатывают» так называемые супермассивные частицы Хиггса и тоже становятся весьма массивными. Это означает, что при температурах

выше 10¹⁵ ГэВ было одно семейство частиц – комбинация лептонов и кварков, называемое лептокварками. Помимо того, была одна калибровочная частица с нулевой массой; фотоны, глюоны и W– частицы были неразличимы, они представляли собой одну и ту же частицу. Как видно, Вселенная тогда была устроена гораздо проще. Более того, все поля, за исключением гравитационного, были одинаковы – они просто являлись одним и тем же полем. На графике констант сильного и электрослабого взаимодействий видно, что с ростом энергии (и соответственно с ростом температуры) они сближаются, пока не сольются при 10¹⁵ ГэВ.

Слияние констант сильного и электрослабого взаимодействий при высоких энергиях

Допустим, что протон действительно распадается. Ну и что из этого вытекает? Самые важные следствия, несомненно, будут для космологии. Предположим, протон распадается на позитрон и ?⁰– мезон, который затем распадётся на фотоны, а позитрон, встретившись с электроном, аннигилирует, также превратившись в фотоны. Короче говоря, всё вещество во Вселенной за невообразимо долгое время превратится в излучение. В ней не останется ничего кроме излучения! Можно сказать, что Вселенная появилась в виде излучения (по крайней мере, так было в эпоху излучения) и закончит своё существование (если она открыта) тоже в виде излучения, без вещества. Странная судьба, что и говорить…

С точки зрения физика-экспериментатора, у теории великого объединения есть ещё одна неприятная особенность. Мы видели, что объединение двух взаимодействий в электрослабое происходит при энергии выше 100 ГэВ. Это максимально достижимое для современных ускорителей значение; следующая интересная энергия – 10¹⁵ ГэВ – вряд ли достижима на ускорителях. Это означает, что по мере повышения энергии ускорителей вряд ли можно ожидать чего-то интересного. Неутешительная перспектива!

Супергравитация и суперструны

Мы видели, как можно объединить электромагнитное и сильное взаимодействия в рамках одной теории, получившей название теории великого объединения. Но при этом вне поля зрения остаётся ещё одна сила – тяготение. Создание действительно единой теории требует включения в неё тяготения. Оказалось, что это очень трудно сделать, поскольку теория гравитации (общая теория относительности) – геометрическая, а не квантовая теория. Многие учёные пытаются придать общей теории относительности квантовую форму, но пока безуспешно.

Нетрудно представить себе как должен выглядеть квантовый вариант общей теории относительности: как и в других теориях поля, потребуется калибровочная частица-переносчик поля. Применительно к тяготению эта частица получила наименование «гравитон». Итак, при сближении двух масс между ними происходит обмен гравитонами. На самом деле, поскольку тяготение – дальнодействующая сила (теоретически она действует на бесконечно больших расстояниях), взаимный обмен гравитонами происходит между всеми объектами во Вселенной. Естественно, когда они находятся далеко друг от друга, количество переносимых гравитонов мало.

Метод, при помощи которого учёные стараются включить в рассмотрение тяготение, в последнее время привлекает довольно большое внимание; он носит название супергравитации. Супергравитация строится на основе теории групп, а симметрия, связанная с ней, обычно называется суперсимметрией. Чтобы лучше понять основную идею супергравитации, нужно вспомнить о природе частиц. Если абстрагироваться от конкретных параметров, то во Вселенной есть два фундаментальных типа частиц: частицы

вещества (например, электроны или протоны) и частицы-переносчики взаимодействий, называемые также калибровочными частицами (например, фотоны и W– частицы). Они отличаются друг от друга спином – все калибровочные частицы (называемые бозонами) имеют целый спин, а все частицы вещества (называемые фермионами) имеют полуцелый спин (1/2, 3/2 и т.п.).

Супергравитация превращает фермионы в бозоны и наоборот. Как обладающий изоспином нуклон можно превратить либо в протон, либо в нейтрон, стоит только повернуть воображаемый регулятор, так же как суперчастицу в теории супергравитации – фермион со стрелкой, направленной вверх, можно, повернув стрелку вниз, превратить в бозон. Короче говоря, в этой теории фермионы и бозоны объединены; их можно точно так же превращать друг в друга, как в теории великого объединения кварки в лептоны. Итак, сделан последний шаг на пути к желанному объединению. В теории великого объединения ранняя Вселенная содержала два типа фундаментальных частиц: бозоны и фермионы. Теперь появляется возможность превращать их друг в друга. Это означает, что в самом-самом начале Вселенная была донельзя простой – возможно, в ней были частицы только одного типа. Так должно было быть при температурах выше 10¹⁹ ГэВ, примерно через 10^{– 43} с после Большого взрыва. До этого момента все четыре силы были слиты воедино и существовал лишь один тип частиц.

Считается, что именно так действует эта теория, однако её детали и следствия разработаны ещё далеко не до конца. Теория супергравитации и её разновидности представляются весьма многообещающими, но остаётся ещё немало трудностей. В простейшем варианте супергравитации присутствует только одна частица-переносчик поля – гравитон, однако при более высоких энергиях встречается ещё одна частица, которую пока никто не видел, – гравитино. Итак, из этого варианта следует, что в природе существуют только две частицы; как известно, на самом деле это не так. Но, как уже упоминалось, в супергравитации допускается превращение частиц с целым спином в частицы с полуцелым спином. Спин гравитона равен 2, а спин гравитино есть 3/2, но с учётом превращений частиц эта теория допускает также образование частиц со спинами 1 и 1/2. Варианты теории, в которых появляются также другие частицы, носят название расширенной супергравитации. В них предсказывается существование различных типов частиц. Для каждого известного типа частиц там имеется «суперпартнёр»; электрону, например, соответствует селектрон, а фотону – фотино.

Добавление всех этих частиц полезно по крайней мере в одном отношении – похоже, что они позволяют лучше понять перенормировку. В течение многих лет учёные избавлялись от бесконечных величин в теориях, вычитая их, т.е., по сути, засовывая их под ковёр, как говорят американцы. Такой метод работал, но никто толком не понимал, почему. В супергравитации, похоже, удаётся обойти перенормировку. Грубо говоря, оказывается, что для каждой бесконечной величины, связанной с бозоном, находится бесконечная величина противоположного знака, связанная с фермионом, и они взаимно уничтожаются.

Эта теория, хотя и обещает объяснить перенормировку, сталкивается с трудностями. Основная из них – предсказание таких частиц, как селектрон и других, не наблюдающихся в природе. Однако у учёных есть свои аргументы. По их мнению, предсказываемые частицы настолько массивны, что мощности современных ускорителей не хватает для их образования. На больших ускорителях это станет возможным.

Одну из трудностей недавно удалось преодолеть, объединив супергравитацию с теорией Калуцы-Клейна (о ней речь шла раньше). Эта теория первоначально была предложена Калуцей в 1921 году. Он расширил общую теорию относительности, включив в неё электромагнетизм; для этого в общую теорию относительности пришлось добавить ещё одно измерение. Сложность заключалась в объяснении дополнительного измерения. Однако через несколько лет объяснение нашёл шведский физик Оскар Клейн. Клейн предположил, что дополнительное измерение присутствует всюду, но оно так плотно закручено в петлю, что его не удаётся увидеть. По расчётам шведского учёного получалось, что радиус петли должен составлять 10^{– 33} см. Это в миллиард миллиардов раз меньше размера атомного ядра.