Лиза Рэндалл - Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.

• Название: Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
• Автор: Лиза Рэндалл
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2011
• ISBN: 978-5-397-01371-0

Вселенная полна удивительных тайн. Возможно, она скрывает от нас дополнительные измерения, разительно отличающиеся от всего, что может себе представить наш здравый смысл, взращенный в обычном трехмерном пространстве. И хотя с каждым годом мы узнаем все больше и больше о нашем мире, сегодня как никогда ранее мы осознаем, что для понимания истинной природы Вселенной нам необходимо сделать еще очень многое.

Лиза Рэндалл принадлежит к разряду тех ученых, которые сами, своими собственными исследованиями совершают прорывы и раздвигают границы современной науки, пытаясь найти ответы на фундаментальные вопросы, поставленные природой.

Л. Рэндалл проводит нас через потрясающий мир закрученных дополнительных измерений, лежащих, возможно, в основе нашей Вселенной, и показывает путь, следуя которому мы сможем убедиться в их существовании.

Книга «Закрученные пассажи» увлекает читателя в удивительное путешествие, проводя его через цепочку открытий от начала двадцатого века до настоящих дней, объясняя суть противоречий между теорией относительности, квантовой механикой и гравитацией, описывая достижения физики элементарных частиц, проблему иерархии, скейлинг, Великое объединение, суперсимметрию, дополнительные измерения, параллельные миры, эволюцию струнных теорий и многое другое.

В непринужденной и занимательной форме Лиза Рэндалл беседует с читателем, раскрывая таинства сложной науки и увлекательно объясняя загадки мириад миров, существующих, возможно, рядом с тем миром, в котором мы живем и который мы только начинаем постигать.

Книга вызовет несомненный интерес как у специалистов естественно-научных дисциплин, так и у широкого круга читателей.

---

Однако даже и при таком порядке Небеса не были в полной безопасности. Ангелы превращались в свободных агентов, не имеющих контрактов, которые связывали бы их с одним поколением. Переменчивые ангелы, столь храбро защищавшие иерархию, угрожали сейчас разрушить небесные семейные ценности. Это потрясло Икара, он обнаружил, что вопреки обыденным представлениям, Небеса оказались на удивление неспокойным местом.

В физической терминологии изобилуют слова с приставкой супер[126]. Например, сверхпроводимость (superconductivity), сверхтекучесть (superfluid), переохлаждение (supercooling), перенасыщение (supersaturation). Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК) должен был стать самым мощным в мире, если бы Конгресс США не зарубил проект в 1993 году, и т. д., список можно продолжить. Поэтому вы можете представить воодушевление физиков, когда они обнаружили, что пространственно-временная симметрия обладает большей, «супер-», симметрией.

Открытие суперсимметрии было поистине удивительным событием. К моменту возникновения суперсимметричных теорий физики считали, что им известны все симметрии пространства и времени. Как мы видели в гл. 9, уже привычными симметриями были пространственно-временные, утверждавшие, что исходя только из законов физики невозможно определить, где вы находитесь, в какую сторону смотрите или какое сейчас время. Действительно, траектория баскетбольного мяча не зависит от того, на какой стороне площадки вы находитесь, и где происходит игра — в Калифорнии или Нью-Йорке.

В 1905 году, с появлением теории относительности, список преобразований пространственно-временных симметрий расширился, включив те преобразования, которые изменяют вектор-скорость (величину скорости и направление движения), и ученые полагали, что этим список исчерпывается. Никто не верил, что могут быть еще какие-то неоткрытые симметрии, включающие пространство и время. Два физика, Джеффри Мандула и Сидни Коулмен, в 1967 году закрепили это интуитивное утверждение, доказав, что не существует других подобных симметрий. Однако они (и все остальные) проглядели одну возможность, основанную на нетрадиционных предположениях.

В этой главе вводится понятие суперсимметрии — странного нового преобразования симметрии, переставляющего бозоны и фермионы. С его помощью можно строить теории, включающие преобразования суперсимметрии. Однако суперсимметрия как симметрия природы все еще остается гипотетической, так как никто еще не обнаружил суперсимметрию в окружающем нас мире. Тем не менее есть две весомых причины, позволяющие физикам думать, что эта симметрия существует в природе.

Одна причина — это понятие суперструны, которое будет подробнее рассмотрено в следующей главе. Теория суперструн, включающая суперсимметрию, является единственной известной моделью теории струн, способной воспроизвести частицы Стандартной модели. Теория струн без суперсимметрии не может претендовать на описание нашей Вселенной.

Вторая причина состоит в том, что суперсимметричные теории обладают потенциальными возможностями решить проблему иерархии. Суперсимметрия не объясняет причину большого отношения масштаба массы слабых взаимодействий к планковскому масштабу масс, но она исключает проблематичные огромные квантовые вклады в массу хиггсовского бозона. Вопрос иерархии является серьезной проблемой и очень мало предложенных решений выжили после тщательной экспериментальной и теоретической проверки. До того момента, как в качестве потенциальной альтернативы были предложены теории с дополнительными измерениями, суперсимметрия была единственным решением проблемы.

Так как мы до сих пор не знаем, существует ли суперсимметрия во внешнем мире, все, что мы можем сделать, — это рассмотреть предлагаемые теоретические варианты и оценить их следствия. При таком подходе, к моменту, когда эксперименты достигнут области более высоких энергий, мы будем готовы описать, что собой представляет та теория, которая лежит в основе Стандартной модели. Поэтому посмотрим, чем мы располагаем.

Фермионы и бозоны: невероятная пара

В суперсимметричном мире каждой известной частице соответствует другая частица — суперсимметричный партнер или, как говорят, суперпартнер, в которого она превращается в результате преобразования суперсимметрии. Преобразование суперсимметрии превращает фермион в его партнера — бозон, а бозон — в партнера-фермион. В гл. 6 мы видели, что фермионы и бозоны — это разные типы частиц квантово-механических теорий, отличающиеся значением спина. Спин фермионнных частиц полуцелый, а бозонных — целый. Целые значения спина — это те числа, которыми можно характеризовать обычные тела, вращающиеся в пространстве, в то время как полуцелые значения являются специфическим понятием квантовой механики.

В суперсимметричной теории все фермионы могут превращаться в соответствующие бозоны, а все бозоны — в соответствующие фермионы. Суперсимметрия — это прием теоретического описания таких частиц. И если вы анализируете уравнения, описывающие поведение частиц в результате преобразования суперсимметрии, переставляющего бозоны и фермионы, то эти уравнения после преобразования должны выглядеть аналогично. Все предсказания должны быть тождественны тем, которые можно было сделать до преобразования симметрии.

На первый взгляд, рассматриваемая нами симметрия игнорирует логику. Предполагается, что преобразования симметрии оставляют систему неизменной, однако преобразования суперсимметрии меняют местами частицы, которые существенно различны — фермионы и бозоны.

И хотя было странно предположить, что за преобразованием, смешивающим столь разные объекты, может скрываться симметрия, тем не менее ряд физиков рассмотрели такую возможность. В 1970-е годы европейские и советские физики[127] показали, что симметрия может переставлять местами столь различные частицы и законы физики могут при этом оставаться неизменными.

Эта симметрия несколько отличается от предыдущих, так как подвергающиеся перестановкам объекты явно обладают разными свойствами. Тем не менее симметрия может существовать, если бозоны и фермионы присутствуют в равных количествах. В качестве аналогии рассмотрим два набора красных и зеленых шариков разных размеров, причем наборы отличаются только цветом. Допустим, вы сели играть в шарики с приятелем. Вы играете красными шариками, а ваш приятель — зелеными. Если у каждого красного шарика имеется единственная пара среди зеленых шариков, то не важно, каким цветом вы играете — вы не получите никаких преимуществ в игре. Однако, если количества красных и зеленых шариков каждого размера не равны друг другу, игроки будут поставлены в неравные условия. Начальный выбор красного или зеленого цвета будет иметь значение и игра будет происходить по-другому, если вы со своим приятелем поменяетесь цветами. Чтобы была симметрия, шарики каждого размера должны быть двух цветов — красного и зеленого, и должно быть одинаковое число шариков каждого цвета и каждого размера.

Аналогично, суперсимметрия возможна только при условии, что бозоны и фермионы точно объединяются в пары. Вам необходимо иметь равное число бозонных и фермионных типов частиц. И точно так же, как шарики, меняющиеся местами, должны иметь одинаковые размеры, спаренные бозоны и фермионы должны иметь одинаковые массу и заряды, а их взаимодействия должны контролироваться одинаковыми параметрами. Иными словами, каждая частица должна иметь своего суперпартнера с аналогичными свойствами. Если бозон испытывает сильные взаимодействия, эти же взаимодействия испытывает его суперсимметричный партнер. Если имеются взаимодействия, включающие определенные частицы, то должны быть и связанные с ними взаимодействия, включающие их суперсимметричных партнеров.

Одна из причин, которая делает суперсимметрию столь интригиующей, состоит в том, что если она будет открыта в нашем мире, это будет первая новая пространственно-временная симметрия, найденная за последние сто лет. Именно поэтому она — «супер». Я не стану углубляться в математические объяснения, но только знания того, что суперсимметрия переставляет частицы с разным спином, достаточно для понимания этого факта. Так как спины частиц различны, бозоны и фермионы преобразуются по-разному при вращениях в пространстве, поэтому для компенсации этой разницы в преобразования суперсимметрии должны входить пространство и время.

Но не подумайте, что это означает, что вы сможете представить, как выглядит отдельное преобразование суперсимметрии в физическом пространстве. Даже физики понимают суперсимметрию только в терминах ее математического описания и экспериментальных следствий. А последние, как мы скоро увидим, очень впечатляют.