В поисках теории всего сущего

Чьим искусством, чьей рукой Создан стройный образ твой?

В. Блейк. Тигр. 1794 г. (Перевод С.Я. Маршака, 1915 г.)

В сердце Женевы поднимается к небу величественный собор Св. Петра. Возводившийся в период с 1160 по 1232 г., он был выполнен в характерном для того времени строгом романском стиле, который отличают правильные пропорции. Торжественные своды и возносящиеся в небо башни идеально сочетаются друг с другом (левая сторона визуально уравновешивает правую), подчеркивая единство божественного замысла.

Одни религиозные взгляды, приходящие с течением веков на смену другим, не прошли для собора бесследно. В XVI в. набиравшая обороты Реформация вылилась в бездумное надругательство над внутренним убранством собора Св. Петра. Ломались статуи, замазывались белилами настенные фрески… Архитектурный разнобой еще больше усилился, когда в 1750 г. средневековый фасад получил неоклассический облик.

Многие физики считают, что и Вселенная однажды представляла собой построенный без затей собор, простой и гармоничный. Согласно этой точке зрения, первоначально в космосе, как и в мастерски спроектированном нефе, противоположности уравновешивали друг друга - было поровну положительных и отрицательных зарядов, материи и антиматерии, лептонов и кварков, фермионов, бозонов и всего остального. Когда же Вселенная вылупилась из своего горячего и маленького кокона, эта симметрия сама по себе распалась. Так что космос в чем-то напоминает женевский собор - теперь тут тот же разнобой.

Одна из главных задач Большого адронного коллайдера - провести нечто вроде археологических раскопок и попытаться собрать вместе осколки когда-то стройной картины. Познав первоначальную симметрию, мы как нельзя ближе подойдем к тому, чтобы собрать все частицы и силы во Вселенной в одну большую семью. И самый верный способ этого добиться - заглянуть в первые мгновения существования Вселенной. Беспрецедентные энергии БАК позволят в масштабе элементарных частиц проиграть условия, в которых пребывал космос спустя доли секунды после Большого взрыва. БАК не воспроизведет сам Большой взрыв. Хотя энергии в расчете на одну частицу будут сравнимые, общая энергетика окажется несравнимо меньше. Это как исследовать эрозию пляжей, выливая пригоршню воды на песчаный холмик. Представление о влиянии океанических приливов на небольшой участок пляжа так получить можно, но вряд ли разумно претендовать на мощь целого Тихого океана.

Намеки на первородное симметричное состояние теоретикам дают сохраняющиеся или почти сохраняющиеся величины в природе, наблюдаемой нами сегодня. Такая неполная симметрия привела к созданию изящной Стандартной модели. Стандартная модель - это математический способ описать две фундаментальные силы природы: электромагнетизм и слабое взаимодействие (оно проявляется в некоторых распадах). Неоднократно предпринимались попытки добавить в общую схему хотя бы одну из оставшихся сил: сильное взаимодействие (удерживающее вместе атомные ядра) и гравитацию.

В пример можно привести Эйнштейна, который последние десятилетия своей жизни пытался расширить общую теорию относительности за счет электромагнетизма. Он был уверен, что в законах природы кроются следы первоначальной гармонии. В конце концов, надеялся Эйнштейн, эти скрытые универсальные принципы проявятся в трудоемких математических вычислениях. К сожалению, все было напрасно. В 1955 г. великий физик умер, так и не найдя подходящего ответа на свои вопросы.

Спустя десятилетия после смерти Эйнштейна на научной арене утвердилась пока единственная удачная теория объединения - Стандартная модель электрослабого взаимодействия, вместившая в себя электромагнетизм и слабые силы. Но создать даже эту пару стоило больших усилий и изобретательности. В привычных для нас условиях электромагнетизм и слабое взаимодействие серьезно различаются по многим пунктам. Электромагнетизм вездесущ: он на первых ролях и в крошечном атоме, и в размашистой молнии. Что касается слабых сил, их удел - исключительно субатомные масштабы. Во-вторых, электромагнитное взаимодействие, конечно, заставляет заряженные частицы притягиваться или отталкиваться, но оно не способно изменить их заряд или превратить их друг в друга. Протон и электрон, как бы ни стремились навстречу друг другу, не могут «поменяться телами». Слабые же силы ведут себя обычно как маленькие мародеры, не стесняясь отнимать у частиц их заряд и другие свойства. Например, это взаимодействие приводит к бета-распаду, процессу, сопровождающемуся превращением незаряженного нейтрона в протон.

Наблюдательные теоретики, однако, заметили, что у протона и нейтрона близкие (но не одинаковые) массы. Тогда ученые подумали, а не намекает ли этот переход одной частицы в другую на когда-то царившую симметрию, которая потом нарушилась? Ведь Колокол Свободы тоже в свое время звонил, как его собратья, вышедшие из одного с ним литейного цеха, но с возрастом нажил изъяны. Так, может быть, электромагнетизм и слабое взаимодействие - близнецы-братья, просто воспитывались в разной среде?

Идея спонтанного нарушения симметрии, лежащая в основе Стандартной модели, зародилась в недрах совсем другой области физики, в исследованиях сверхпроводимости. Некоторые материалы, будучи охлажденными до экстремально низких температур, полностью теряют сопротивление и становятся идеальными проводниками. «Холодные» токи при этом не дают внешнему магнитному полю проникнуть внутрь и как бы выталкивают его. Сверхпроводящими магнитами пронизан весь БАК. Они создают мощные поля, нужные, чтобы гонять частицы по кругу и фокусировать их в плотные пучки.

В 1957 г. Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер (БКШ) предложили удачную квантовую теорию, объясняющую, как в материалах возникает сверхпроводящее состояние. Во главу угла она ставит особую взаимосвязь между электронами, образующими так называемые куперовские пары. Создав пару, электроны начинают, как ретивые солдаты, синхронно маршировать. После этого им никакое сопротивление не страшно, и они идеально проводят ток.

На вопрос, почему спаренные электроны могут идти в ногу, а одиночные нет, отвечает небезызвестный принцип Паули. Все элементарные частицы разбиваются на два класса: фермионы и бозоны. К примеру, электрон (вне куперовской пары) - это фермион, а фотон - это бозон. Принцип запрета Паули, играющий в квантовой механике огромную роль, гласит: два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. К бозонам этот принцип не относится - их в одном состоянии может быть сколько угодно. Это как в летнем лагере: дети (бозоны) спят в одной большой комнате, а воспитателям (фермионам) полагаются отдельные спальни. Конечно, у первых соблазн сбиться в кучу больше, чем у вторых. Поэтому неудивительно, что бозоны делают все заодно. И хотя куперовская пара состоит из двух фермионов, ведет она себя как бозон, для которого маршировать в ногу естественно.

У сверхпроводимости есть смертельный враг - тепло. При достаточно высокой температуре - для каждого материала она своя - синхронность нарушается, и сверхпроводник теряет свое исключительное положение среди проводников. Этот переход напоминает превращение кристаллов льда в жидкую воду и называется фазовым переходом.

Четыре года спустя после публикации теории БКШ американский физик японского происхождения Йоитиро Намбу заметил, что ее положения вполне можно применить к нарушению симметрии в физике элементарных частиц. Только что произошел

Большой взрыв, Вселенная расширяется, температура падает, и, возможно, происходит фазовый переход: бозоны вдруг согласовывают свои действия, и неорганизованная толпа разбивается на группы. За это выдающееся открытие в 2008 г. Намбу была присуждена Нобелевская премия.

История получила продолжение. В 1964 г. британский физик Питер Хиггс придумал такой тип бозонов, которые своей массой были обязаны спонтанному нарушению симметрии, его особой разновидности. Кроме того, получив массу сам, этот бозон наделял массой и другие частицы. Хотя его в итоге назвали в честь Хиггса, примерно в то же время независимо были предложены и другие похожие механизмы. Отметим здесь работу Джеральда Гуральника, К. Ричарда Хагена и Тома Киббла, а также вклад Франсуа Энглера и Роберта Браута.

В квантовой физике энергия поля определяется потенциалом, в котором оно «живет». Потенциал - это что-то вроде набора холмов, ям и склонов. Вместе они диктуют, как меняется энергия в зависимости от положения. Например, в скалистом потенциале резкие скачки энергии неизбежны в отличие от потенциала типа «плато». А Хиггс заставил свой бозон поселиться в особом потенциале - в форме дна бутылки от шампанского. Причем при высоких температурах бозон обитает в центральной части, а при низких - с краю. Когда температура падает ниже критической, бозон скатывается с вершины (ложный вакуум) вниз к краю (истинный вакуум) и приходит в основное состояние. Случайное место, которое бозон займет на окружности (дно бутылки с шампанским, помните?), определит вакуум во всем пространстве. (Кстати, на это место математически указывает фаза, особый внутренний параметр, «смотрящий» под разными углами - как стрелки в часах.) Именно поэтому вакуум получается единым для всех частиц, и каждая из них лишена возможности выбирать ту фазу, которая ей заблагорассудится. В результате первоначальная симметрия случайно, или, как говорят, спонтанно, нарушается.

Чтобы поближе познакомиться с этим явлением, представим себе стройку: будущий коттеджный поселок, а пока - шахматная доска из правильных квадратных участков. До появления домов еще долго, так что все участки похожи друг на друга как капли воды. Нельзя сказать, где у них север, а где юг. Допустим, вышло распоряжение местных властей, предписывающее выдерживать определенное расстояние между домами. Если один из домов поставить строго посередине участка, все остальные будут вынуждены под него подстроиться, и симметрия будет выдержана во всем поселке. Так ведут себя бозоны Хиггса при высоких температурах. А теперь, например, первый дом построили в юго-западном углу участка. Чтобы не пойти против распоряжения, дома по соседству тоже придется возвести в юго-западных частях их участков. В конце концов все дома в поселке будут несимметрично стоять в юго-западных углах. И все из-за одной-единственной местной прихоти. Если бы первый дом возвели в северо-восточном углу участка, общая архитектура снова, пожалуй, поменялась бы на тот же манер. Аналогично фаза, выбираемая бозоном Хиггса в одном месте, задает в итоге общую фазу.

Вывод Хиггса был таков: как только фаза бозона определилась, он благодаря ненулевому значению поля приобретает массу. Она не берется из ниоткуда, ведь энергия скатившегося с вершины поля увеличилась, а где энергия, там и масса (один из результатов специальной теории относительности Эйнштейна). Более того, взаимодействуя с другими частицами, бозон Хиггса и им придает их собственные массы. Не так уж невероятно, что все массивные частицы во Вселенной своей массой обязаны «хиггсу». За способность доставать массу словно из ниоткуда бозон Хиггса прозвали «божественной частицей», заставив автора этой идеи несколько смутиться. Скромный ученый долго привыкал к частице-тезке, да еще наделенной божественными чертами.

Идея Хиггса была настолько непривычной, что ведущий европейский журнал «Физикс Леттерс» отклонил его первую статью. Позже Хиггс вспомнит свое разочарование: «Я негодовал. Я считал, мои результаты могут быть полезными в физике элементарных частиц. Как-то потом мне коллега… из ЦЕРНа сказал, что теоретики там не понимают, в чем ценность моего предложения…»

«…Осознав, что моя статья мало цепляет глаз, я ее переделал и добавил туда два новых раздела. В одном из них говорилось о спонтанном нарушении так популярной сегодня (кварковой) симметрии ароматов SU(3). После этого послал ее в “Физикал Ревью Леттерс”… На этот раз статью приняли»¹⁰.

Работа Хиггса дала возможность взглянуть на проблему объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в единую теорию с новой стороны. А именно: из четверки частиц-переносчиков, отвечающих за возникновение соответствующих сил, три приобретают массу за счет механизма Хиггса. Переносчик взаимодействия - это бозон, который служит посредником между частицами материи, заставляя их притягиваться, отталкиваться или переходить друг в друга. Чем тяжелее переносчик, тем меньше радиус такого взаимодействия.

Фотон - переносчик электромагнитных сил, действующих на сколь угодно большом расстоянии, - имеет нулевую массу. Кроме того, раз он не меняет заряда взаимодействующих частиц, фотон электрически нейтрален. Что касается слабого взаимодействия, двое из его переносчиков, W⁺ и W^- бозоны[10], имеют заряд и массу - отражение того факта, что слабые силы могут менять заряд и являются короткодействующими. Есть еще третий переносчик, Z-бозон, но он нейтральный. Его существование было предсказано в 1960 г. теоретиком из Гарварда Шелдоном Глэшоу. Впоследствии все три переносчика слабого взаимодействия были обнаружены экспериментально.

Итак, когда к набору известных переносчиков и полей, отвечающих разным типам материи, добавился механизм Хиггса, дело оставалось за «малым» - собрать все кусочки мозаики вместе и свести воедино электромагнетизм и слабое взаимодействие. В 1967 г. американский физик Стивен Вайнберг, работавший тогда в Массачусетском технологическом институте, и пакистанский ученый Абдус Салам из Кембриджа независимо пришли к разумной теории электрослабого объединения. Эта великолепная теория венчает собой десятилетия экспериментальных и теоретических исследований в физике субатомных частиц. Современное ее название Стандартная модель - дань уважения ее величию.

Согласно теоретическим предсказаниям, от того первичного «хиггса» должны были остаться следы, которые можно зарегистрировать. Но почему-то эксперименты, уже несколько десятилетий ведущиеся на подходящих энергиях, пока молчат. Физическое сообщество надеется, что столь долгожданный бозон Хиггса покажется на БАК и последний вопрос к Стандартной модели будет снят с повестки дня.

Ученые, имеющие отношение к БАК, полностью сознают, что Стандартная модель вряд ли все объяснит. С дисбалансом во Вселенной связано слишком много загадок, чтобы считать Стандартную модель истиной в последней инстанции. Поле Хиггса пока не обнаружено, для остальных взаимодействий единая теория еще не построена - неудивительно, что немало физиков сегодня воздерживаются от однозначных утверждений о справедливости Стандартной модели. Хотя эта теория успешно объясняет большинство явлений в мире элементарных частиц, она, как и многие великолепные старинные фрески, не избежала трещин.

В преддверии начала полномасштабных экспериментов на БАК исследователи наряду со Стандартной моделью рассматривают и некоторые ее альтернативы, надеясь, что опыт скажет здесь решающее слово. Скажем, физики-экспериментаторы не удивятся, если бозон Хиггса окажется тяжелее, чем предсказывает Стандартная модель, или если вместо одного бозона на БАК появится целых три его разновидности, как утверждается в определенных теориях. В этом плане экспериментаторы берут пример с хороших акушеров, готовых к любому развитию надвигающихся родов.

Из моделей объединения, взошедших на научную арену в последние десятилетия, наибольшую популярность получила теория струн. В ней роль элементарных кирпичиков природы играют безумно крошечные (порядка планковской длины, 10^-33 см) вибрирующие энергетические нити, а не точечные частицы Стандартной модели. У струн, таким образом, не нулевая протяженность, а конечный, хоть и ненаблюдаемый размер. Это большое математическое преимущество, поскольку все выражения, куда входит обратная длина, из бесконечных становятся конечными. В результате исчезают математические проблемы, которые в стандартной квантовой теории поля встречаются на каждом шагу - отдельные члены в уравнениях стремятся к бесконечности, что затуманивает их физический смысл.

Теорию струн иногда называют Теорией всего сущего (ТВС), поскольку она обещает описать все известные взаимодействия. Возможность избавиться от бесконечностей дает надежду, что эта модель поможет справиться с гравитацией, которую пока никому, включая вдумчивого Эйнштейна, не удалось включить в единую схему. Но есть и те, кто критикует струнную теорию за ее всеядность. Дело в том, что Стандартная модель - это всего лишь один из частных случаев теории струн, но есть и несметное количество других возможностей, подчас далеко не самых реалистичных с физической точки зрения. Поэтому одна из центральных проблем теории струн - выделить единственную ТВС, которая описывает именно нашу Вселенную.

В струнной теории различные поля и частицы - это всего лишь разные режимы, или моды, энергетических колебаний. Чтобы настроить гитару, подтягивают ее струны. Так же и колебания в теории струн меняются с изменением натяжения. Они создают определенный гармонический рисунок вроде того, что мы слышим в музыкальных произведениях. Разные состояния струны обеспечивают различные массы, спины и другие свойства всевозможных кирпичиков природы.

Первоначально теория струн зародилась как модель только сильного взаимодействия. В этой своей версии она относилась только к переносчикам сил, то есть к бозонам. Бозонную теорию струн нечего было даже и думать применять к материи. Последняя, как мы знаем, построена из фермионов. Поэтому теоретикам пришлось поломать голову, чтобы распространить теорию струн помимо переносчиков взаимодействий и на частицы материи. А для этого в струны как-то нужно было включить фермионы.

Чтобы наряду с бозонными струнами описать фермионные, физик Пьер Рамон из Университета Флориды в 1971 г. предложил концепцию суперсимметрии. Идея Рамона о преобразовании, связывающем силы и материю, молниеносно распространилась в физическом сообществе и увлекла теоретиков всех мастей, даже тех, кто относился к струнам скептически. Симметрия, объединявшая бозоны с фермионами, словно знаменовала собой конец неравенству в мире частиц.

Более того, в отличие от традиционных квантовых теорий поля вроде Стандартной модели, суперсимметрия, кажется, готова была взять под свое крыло и гравитацию. Никогда еще за свою историю квантовая физика не стояла так близко к тому, чтобы включить гравитацию в единую теорию поля. Нежданно-негаданно неисполненная мечта Эйнштейна об окончательной теории получила новую жизнь, будто раритетному автомобилю поставили новенький рычащий мотор.

На волне всеобщей эйфории, вызванной суперсимметрией (коротко - просто SUSY[11]), вдохновленные теоретики оказались на некотором перепутье. Во-первых, можно было вплотную заняться суперструнами - суперсимметричной теорией струн - и исследовать их фундаментальные свойства, надеясь, что они совпадут с наблюдаемым поведением элементарных частиц. В 1984 г. Грин и Шварц получили важный результат об отсутствии в теории суперструн «аномалий», то есть математических неувязок. Ликованию не было предела. Суперструны, казалось, вырвались вперед на гоночном треке.

Непростой задачей для выбравших более отвлеченный путь явилось найти общий язык с экспериментаторами. Вычисления в теории струн зачастую требуют известной сноровки и зависят от многих свободных параметров. В зависимости от их значений меняются предсказания. Кроме того, у струнной теории было несколько разных версий (в середине 90-х Эд Виттен и другие доказали их эквивалентность). Такое многообразие параметров и теорий приводило ученых в недоумение: что же тогда проверять на опыте? Да о чем речь - объекты настолько крохотные (атомное ядро - галактика по сравнению с ними), что нам вряд ли суждено их вскоре «увидеть».

К тому же от математических парадоксов в теории суперструн можно избавиться, если только поселить струну в пространстве десяти, а то и больше измерений. Чтобы увязать это с тем фактом, что люди видят только три пространственных и одно временное измерение, теоретики вспомнили об идее шведского физика Оскара Кляйна, предложенной им в 20-х гг. XX в. Они заставили шесть лишних измерений скрутиться в шарик, такой маленький, что мы его не замечаем. На бумаге это получалось отлично, но экспериментаторов оставляло ни с чем. Ссылаясь на невозможность экспериментальной проверки, критики теории струн - среди знаменитостей это Глэшоу и Ричард Фейнман - заговорили о ее зыбкости.

Сотрудники лабораторий несколько оживились, когда на свет появился более близкий к жизни вариант суперсимметрии - Минимальная суперсимметричная стандартная модель (МССМ). Ее в 1981 г. выдвинули Савас Димопулос из Стэнфордского университета и Говард Джорджи. Они расширили Стандартную модель за счет дополнительных полей, представив ее в виде, удобном для включения в будущую объединенную теорию. Среди этих полей есть и суперсимметричные двойники, которые можно надеяться обнаружить в эксперименте.

В окончательной теории, естественно, должна присутствовать гравитация. Но по сравнению с другими силами она очень слабая. Если прослеживать в прошлое историю Вселенной до той эпохи, когда гравитация могла выступать на равных со своими напарниками, то придется уйти до планковского момента времени, отстоящего от Большого взрыва на 10^-43 секунды. Тогда безумно горячая Вселенная была настолько мелкой, что квантовомеханические принципы, описывающие самые маленькие природные системы, были справедливы и для гравитации. Одно мимолетное мгновение квантовый мир и общая теория относительности прожили в неравном браке, имя которому квантовая гравитация.

Если объединение всех природных сил происходило при таких высоких энергиях, участвовавшие в нем частицы должны были быть невероятно тяжелыми. Их масса, вероятно, превышает возможности БАК в квадриллион (10¹⁵) раз. Взаимодействуя с «хиггсом», частицы планковской массы так бы завысили его энергию, что вся Стандартная модель развалилась бы. В частности, в теории слабые силы настолько истощились бы, что мы их не смогли бы наблюдать.

Чтобы уйти от этих неприятностей, Димопулос и Джорджи, когда искали суперсимметричное описание единой теории поля, добавили в уравнения «нужные» члены. Последние скомпенсировали влияние слагаемых с большой массой и позволили держать бозон Хиггса в разумном диапазоне энергий. Побочный эффект этой процедуры - появление вместо одного «хиггса» целого семейства таких частиц, как нейтральных, так и заряженных, в том числе суперсимметричного партнера бозона, хиггсино.

Если какие-нибудь из легких суперсимметричных двойников будут зарегистрированы, они сильно помогут нам продвинуться в понимании того, что выходит за рамки Стандартной модели. Они позволили бы отдать предпочтение той или иной теории (МССМ или другим альтернативам) и зафиксировать значения свободных параметров (в МССМ их более ста). Но самое главное, это открытие дало бы нам возможность делать верные предположения о том, как должна себя вести теория струн (или другая теория объединения) при гораздо более высоких энергиях.

Впрочем, энергии, при которых теория струн работает в полную силу, сегодня недостижимы, а сама она предоставляет на выбор столько возможностей, что БАК вряд ли моментально ее подтвердит или опровергнет. В лучшем случае экспериментальные данные позволят более точно нащупать границы применимости этой теории. Скажем, обнаружение суперсимметрии не скажет решающего голоса в пользу теории струн, но может убедить ее сторонников, что они на правильном пути.

В числе тех, кто, затаив дыхание, ждет открытия SUSY, ученые, мучающиеся одним из интереснейших, если не самым интересным, вопросов современной науки: загадкой скрытой материи. Невидимая масса, разбросанная по Вселенной, давно лишила астрономов покоя. Дает о себе знать она только своим гравитационным притяжением. Например, звезды во внешних областях галактик двигаются немного не так, как можно было бы ожидать. Тайна темной материи - одна из мучительнейших головоломок астрономии. Некоторые ученые полагают, что ее решение может быть хоть и весомым, но невидимым - суперсимметричными частицами-двойниками. Кто знает, не набит ли наш вселенский шаттл суперсимметричным грузом? Возможно, недалек тот день, когда самый высокоэнергичный прибор в мире доберется до ускользающего от нашего глаза природного фрахта.

Нечего и думать разгадать все эти загадки без столкновений частиц высоких энергий, тщательно отслеживаемых хитроумными детекторами, которые определяют свойства массивных осколков. Эти методы уходят корнями в прошлое. Бомбардировка частицами для исследования внутренней структуры материи начала применяться более века назад. Первой в 1909 г. под удар себя подставила золотая фольга. Приборы, правда, в то время были намного проще.

Тогда ученых интересовало устройство атома. О его внутренней структуре было известно очень мало, пока в игру не вступили бомбардирующие частицы. Нельзя расколоть кокос пальмовым листом, для этого как минимум нужна добротная киянка и жесткие и меткие удары. А вот атом под силу только специальной кувалде, крепко сжимаемой в умелых руках.