Характер физических законов
Вообразим себе Вселенную, в которой законы физики являются такими же недолговечными, как и течения в моде, меняясь от года к году, день ото дня или даже от мгновения к мгновению. Можно утверждать наверняка, что если эти изменения не нарушат основных жизненных процессов, в таком мире вам некогда будет скучать. Простейшие действия превратятся в захватывающие приключения, поскольку случайные изменения законов природы не позволят вам или кому-либо еще использовать прошлый опыт для предсказания будущего.
Такая Вселенная была Р±С‹ кошмаром для физика. Физики, как Рё большинство остальных людей, полагаются РЅР° стабильность мироздания: законы, которые истинны сегодня, были истинны вчера Рё останутся истинными завтра (даже если РјС‹ РЅРµ настолько СѓРјРЅС‹, чтобы понимать РІСЃРµ эти законы). Р’ конце концов, какой смысл следует вкладывать РІ слово «закон», если РѕРЅ может меняться столь незакономерно? Сказанное РЅРµ означает, что Вселенная статична; Вселенная, несомненно, изменяется самым разнообразным образом РѕС‚ РѕРґРЅРѕРіРѕ момента времени Рє РґСЂСѓРіРѕРјСѓ. Скорее, это означает, что законы, управляющие РїРѕРґРѕР±РЅРѕР№ эволюцией, постоянны Рё неизменны. Возникает РІРѕРїСЂРѕСЃ: действительно ли РјС‹ знаем, что это верно? РќР° самом деле, РЅРµ знаем. Однако наши успехи РІ описании многочисленных особенностей устройства мироздания, начиная РѕС‚ первого момента после Большого взрыва Рё РїРѕ сегодняшний день, дают уверенность РІ том, что если законы РїСЂРёСЂРѕРґС‹ Рё изменяются, то РѕРЅРё должны делать это очень медленно. Простейшее предположение, согласующееся СЃ тем, что нам известно РЅР° сегодняшний день, состоит РІ том, что законы РїСЂРёСЂРѕРґС‹ неизменны. Теперь представим себе Вселенную, РІ разных частях которой СЃРІРѕРё законы физики, Рё эти законы, как местные обычаи, изменяются непредсказуемым образом РѕС‚ места Рє месту Рё отчаянно сопротивляются любому внешнему влиянию. Путешествие РІ таком РјРёСЂРµ, РїРѕРґРѕР±РЅРѕ приключениям Гулливера, заставит вас столкнуться СЃ огромным разнообразием непредвиденных ситуаций. Однако СЃ точки зрения физика это опять будет кошмаром. Очень трудно, например, примириться СЃ фактом, что законы, которые действуют РІ РѕРґРЅРѕР№ стране — или даже РІ РѕРґРЅРѕРј штате, — РјРѕРіСѓС‚ РЅРµ действовать РІ РґСЂСѓРіРѕРј. РќРѕ попробуйте представить, что произойдет, если таким Р¶Рµ образом Р±СѓРґСѓС‚ меняться законы РїСЂРёСЂРѕРґС‹. Р’ таком РјРёСЂРµ эксперименты, проведенные РІ РѕРґРЅРѕРј месте, РЅРµ дадут никакой информации Рѕ физических законах, действующих РІ РґСЂСѓРіРёС… местах. Физики должны Р±СѓРґСѓС‚ СЃРЅРѕРІР° Рё СЃРЅРѕРІР° повторять СЃРІРѕРё эксперименты РІ разных местах, чтобы установить характер действующих там физических законов. Рљ счастью, РІСЃРµ, что РјС‹ знаем РЅР° сегодняшний день, РіРѕРІРѕСЂРёС‚ Рѕ том, что повсеместно действуют РѕРґРЅРё Рё те Р¶Рµ законы физики. Рксперименты, проводимые РїРѕ всему РјРёСЂСѓ, РјРѕРіСѓС‚ быть объяснены РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ РѕРґРЅРёС… Рё тех Р¶Рµ физических принципов. Более того, наша способность объяснить многочисленные астрофизические наблюдения, относящиеся Рє самым удаленным уголкам Вселенной, используя РѕРґРёРЅ Рё тот Р¶Рµ неизменный набор физических принципов, заставляет нас верить РІ то, что действительно РїРѕРІСЃСЋРґСѓ правят РѕРґРЅРё Рё те Р¶Рµ физические законы. Поскольку РјС‹ РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ бывали РЅР° противоположном краю Вселенной, РјС‹ РЅРµ можем исключить возможность того, что РіРґРµ-то физика имеет совершенно РёРЅРѕР№ характер, РЅРѕ РІСЃРµ известные нам данные заставляют отвергнуть такой вариант.
Глава 7. «Супер» РІ суперструнахВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ 117
Опять Р¶Рµ, сказанное РЅРµ означает, что Вселенная выглядит одинаково или что детали ее устройства одинаковы РІ разных местах. Космонавт, скачущий РїРѕ Луне РЅР° «кузнечике» (палке СЃ РїСЂСѓР¶РёРЅРѕР№), способен проделать массу вещей, которые невозможно себе представить РЅР° Земле. РќРѕ РјС‹ понимаем, что это различие связано СЃ тем, что Луна имеет гораздо меньшую массу, чем Земля; это РІРѕРІСЃРµ РЅРµ означает, что закон гравитации изменяется РѕС‚ РѕРґРЅРѕРіРѕ места Рє РґСЂСѓРіРѕРјСѓ. Ньютоновский или, точнее, эйнштейновский закон гравитации является одинаковым Рё для Земли, Рё для Луны. Различия РІ опыте космонавтов связаны СЃ изменением обстановки, Р° РЅРµ СЃ изменением физических законов.
Физики называют эти РґРІР° свойства физических законов, Р° именно то, что РѕРЅРё РЅРµ зависят РѕС‚ того, РєРѕРіРґР° или РіРґРµ РјС‹ РёС… применяем, симметриями РїСЂРёСЂРѕРґС‹. Рспользуя этот термин, физики имеют РІ РІРёРґСѓ, что РїСЂРёСЂРѕРґР° трактует каждый момент РІРѕ времени Рё каждую точку РІ пространстве идентично, симметрично, гарантируя, что Р±СѓРґСѓС‚ действовать РѕРґРЅРё Рё те Р¶Рµ фундаментальные законы. РџРѕРґРѕР±РЅРѕ РёС… действию РІ Р¶РёРІРѕРїРёСЃРё Рё РІ музыке, такие РІРёРґС‹ симметрии вызывают глубокое удовлетворение: РѕРЅРё подчеркивают РїРѕСЂСЏРґРѕРє Рё согласие РІ функционировании мироздания. Рлегантность, СЃ которой богатые, сложные Рё разнообразные явления вытекают РёР· простого набора универсальных законов, составляет немалую часть того, что имеют РІ РІРёРґСѓ физики, используя слово «прекрасный».
Р’ нашем обсуждении, посвященном специальной Рё общей теории относительности, РјС‹ столкнулись Рё СЃ РґСЂСѓРіРёРјРё видами симметрии РІ РїСЂРёСЂРѕРґРµ. Р’СЃРїРѕРјРЅРёРј, что принцип относительности, который лежит РІ РѕСЃРЅРѕРІРµ специальной теории относительности, гласит, что законы физики Р±СѓРґСѓС‚ одинаковы для наблюдателей, движущихся равномерно относительно РґСЂСѓРі РґСЂСѓРіР°. Ртот принцип представляет СЃРѕР±РѕР№ разновидность симметрии, поскольку РѕРЅ означает, что РїСЂРёСЂРѕРґР° относится Рє наблюдателям совершенно одинаково, симметрично. Каждый такой наблюдатель имеет право считать, что РѕРЅ находится РІ состоянии РїРѕРєРѕСЏ. Подчеркнем еще раз, что это РЅРµ означает идентичности картины, которую Р±СѓРґСѓС‚ видеть разные наблюдатели; как РјС‹ показали ранее, РёС… наблюдения РјРѕРіСѓС‚ существенно расходиться. Дело РЅРµ РІ этом. РџРѕРґРѕР±РЅРѕ различиям РІ ощущениях энтузиастов прыжков РЅР° палках СЃ РїСЂСѓР¶РёРЅРѕР№ РЅР° Земле Рё РЅР° Луне, различия РІ наблюдениях отражают особенности обстановки, РІ которой проводились наблюдения, ведь наблюдатели находились РІ относительном движении. РќРѕ то, что РѕРЅРё наблюдали, управлялось РѕРґРЅРёРјРё Рё теми Р¶Рµ законами.
Открыв принцип эквивалентности, РѕСЃРЅРѕРІСѓ общей теории относительности, Рйнштейн значительно расширил этот тип симметрии. РћРЅ показал, что законы физики РІ действительности идентичны для всех наблюдателей, даже для тех, которые находятся РІ состоянии сложного ускоренного движения. Р’СЃРїРѕРјРЅРёРј, что Рйнштейн придал этой идее законченный РІРёРґ, осознав, что ускоряющийся наблюдатель имеет полное право считать, что РѕРЅ находится РІ состоянии РїРѕРєРѕСЏ, утверждая, что сила, действующая РЅР° него, обусловлена гравитационным полем. После включения РІ данную систему гравитации РІСЃРµ возможные точки зрения становятся абсолютно равноправными. РџРѕРјРёРјРѕ несомненной эстетической привлекательности такой равноправной трактовки всех РІРёРґРѕРІ движения, эти принципы симметрии, как РјС‹ видели выше, играют ключевую роль РІ поразительных выводах Рѕ характере гравитации, Рє которым пришел Рйнштейн.
Есть ли еще принципы симметрии, имеющие дело СЃ пространством, временем Рё движением, которым должны удовлетворять законы физики? Если РІС‹ основательно поразмыслите РѕР± этом, то сможете указать еще РѕРґРёРЅ принцип. Законы физики РЅРµ должны зависеть РѕС‚ того, РїРѕРґ каким углом РІС‹ проводите СЃРІРѕРё наблюдения. Например, если РІС‹ проводите какой-то эксперимент Рё после этого решаете повернуть вашу установку Рё повторить опыт, должны действовать те Р¶Рµ самые законы. Ртот принцип известен РїРѕРґ названием вращательной симметрии, РѕРЅ означает, что законы физики трактуют РІСЃРµ возможные направления как равноправные. Данный принцип симметрии имеет такое Р¶Рµ значение, как Рё рассмотренные выше.
118ВВВВВВ ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВЧасть III. Космическая симфония
Существуют ли какие-либо еще принципы симметрии? Не пропустили ли мы какой-нибудь из них? Вы можете предложить калибровочные симметрии, связанные с негравитационными силами, обсуждавшиеся в главе 5. Да, это несомненные симметрии в природе, но они являются более абстрактными по своему характеру; в данный момент мы хотим сконцентрировать наше внимание на тех видах симметрии, которые имеют непосредственное отношение к пространству, времени или движению. Если добавить это условие, по всей вероятности, вам не удастся предложить чего-либо нового. На самом деле в 1967 г. физики Сидни Коулмен и Джеффри Мандула сумели доказать, что никакие другие виды симметрии, связанные с пространством, временем или движением, не могут сочетаться с принципами симметрии, рассмотренными выше, и приводить к теории, имеющей какое-либо отношение к нашему миру.
Однако впоследствии более тщательное изучение этой теоремы, основанное на догадках ряда физиков, позволило обнаружить одну небольшую лазейку: результат Коулмена—Мандулы не охватывает симметрии, связанные с понятием, известным как спин.
РЎРїРёРЅ
Рлементарные частицы, например электрон, РјРѕРіСѓС‚ вращаться РІРѕРєСЂСѓРі атомных ядер РїРѕРґРѕР±РЅРѕ тому, как Земля вращается РІРѕРєСЂСѓРі Солнца. Однако может показаться, что РІ традиционной точечной модели электрона нет аналога вращению Земли РІРѕРєСЂСѓРі своей РѕСЃРё. РљРѕРіРґР° объект вращается, точки, расположенные РЅР° РѕСЃРё вращения, РїРѕРґРѕР±РЅРѕ центральной точке фрисби-РґРёСЃРєР°, остаются неподвижными. РќРѕ если какой-РЅРёР±СѓРґСЊ объект является действительно точечным, Сѓ него нет «других точек», которые РЅРµ находились Р±С‹ РЅР° РѕСЃРё вращения. Р’ результате может показаться, что такого понятия, как вращение точечного объекта, попросту РЅРµ существует. РњРЅРѕРіРѕ лет назад исследование этого РІРѕРїСЂРѕСЃР° привело Рє открытию еще РѕРґРЅРѕРіРѕ поразительного квантового эффекта.
В 1925 г. голландские физики Джордж Уленбек и Сэмюэль Гоудсмит осознали, что многие удивительные результаты, относящиеся к свойствам излучаемого и поглощаемого атомами света могут быть объяснены, если предположить, что электроны обладают некоторыми весьма специфичными магнитными свойствами. Примерно за сто лет до этого французский физик Андре-Мари Ампер показал, что магнетизм обязан своим происхождением движению электрических зарядов. Уленбек и Гоудсмит исследовали этот факт и установили, что только один конкретный вид движения электрона может привести к появлению магнитных свойств, на которые указывали экспериментальные данные: это было вращательное движение — спин электрона. Вопреки канонам классической физики, Уленбек и Гоудсмит провозгласили, что электрон, подобно Земле, может кружить по орбите и одновременно вращаться вокруг собственной оси.
Считали ли Уленбек Рё Гоудсмит, что электрон действительна вращается РІРѕРєСЂСѓРі своей РѕСЃРё? Р РґР°, Рё нет. РќР° самом деле РёС… работа показала, что существует квантово-механическое понятие СЃРїРёРЅР°, которое РІ определенной степени напоминает вращение объекта РІРѕРєСЂСѓРі собственной РѕСЃРё, РЅРѕ которое, РїРѕ сути, представляет квантово-механическое явление. Рто РѕРґРЅРѕ РёР· тех свойств РјРёРєСЂРѕРјРёСЂР°, которое РЅРµ имеет аналога РІ классической физике, Р° является экспериментально подтверждаемой квантовой особенностью. Представьте себе, например, вращающегося фигуриста. РљРѕРіРґР° РѕРЅ прижимает СЂСѓРєРё Рє телу, его вращение ускоряется, РєРѕРіРґР° разводит СЂСѓРєРё РІ стороны — вращение замедляется. Однако рано или РїРѕР·РґРЅРѕ, РІ зависимости РѕС‚ того, СЃ какой энергией РѕРЅ начал СЃРІРѕРµ вращение, его движение замедлится, Рё РѕРЅ остановится. РќРµ так обстоят дела СЃРѕ СЃРїРёРЅРѕРј, открытым Уленбеком Рё Гоудсмитом. Согласно РёС… работе Рё данным последующих исследований, каждый электрон РІРѕ Вселенной всегда вращается СЃ постоянной Рё РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ меняющейся скоростью. РЎРїРёРЅ электрона РЅРµ является промежуточным состоянием движения, которое РјС‹ наблюдаем РІ случае более привычных объектов, РїРѕ тем или иным причинам пришедших РІРѕ вращение. Напро-
Глава 7. «Супер» РІ суперструнахВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ 119
тив, спин электрона является внутренним, присущим электрону свойством, похожим в этом отношении на массу или электрический заряд. Если бы электрон не вращался, он не был бы электроном.
Хотя первые работы были посвящены электронам, впоследствии физики показали, что понятие СЃРїРёРЅР° применимо РєРѕ всем частицам вещества, образующим три семейства РёР· табл. 1.1. Рто утверждение истинно вплоть РґРѕ мельчайших деталей: РІСЃРµ частицы вещества (Р° также РёС… античастицы) имеют СЃРїРёРЅ, равный СЃРїРёРЅСѓ электрона. РќР° своем специальном языке физики РіРѕРІРѕСЂСЏС‚, что РІСЃРµ частицы вещества имеют «спин 1/2В», РіРґРµ значение 1/2 представляет СЃРѕР±РѕР№, РіСЂСѓР±Рѕ РіРѕРІРѕСЂСЏ, квантово-механическую меру скорости вращения частиц 2). Более того, физики показали, что частицы, передающие негравитационные взаимодействия, — фотоны, слабые калибровочные Р±РѕР·РѕРЅС‹ Рё глюоны — также обладают СЃРїРёРЅРѕРј, который оказался РІ РґРІР° раза больше, чем СЃРїРёРЅ частиц вещества. Р’СЃРµ эти частицы имеют «спин 1В».
А как насчет гравитации? Еще до появления теории струн физики смогли установить, какой спин должен иметь гипотетический гравитон, чтобы он мог переносить гравитационное взаимодействие. Полученный ими ответ гласил: удвоенный спин фотонов, слабых калибровочных бозонов и глюонов — т. е. «спин 2».
В теории струн спин, так же как масса и константы других взаимодействий, связан с модой колебания струны. Как и в случае с точечными частицами, было бы не совсем правильно думать, что спин, который несет струна, возникает из-за того, что она действительно вращается в пространстве, однако эта картина дает хороший образ для представления. Кстати, теперь можно уточнить одно важное обстоятельство, с которым мы столкнулись ранее. В 1974 г. Шерк и Шварц провозгласили, что теория струн должна рассматриваться как квантовая теория, включающая гравитационное взаимодействие. Такой вывод стал возможен потому, что они обнаружили: в спектре колебаний струн обязательно должна присутствовать мода, которая соответствует безмассовой частице со спином 2. Но именно эти характеристики являются отличительными признаками гравитона. А где гравитон, там и гравитация.
Получив основные представления о спине, вернемся к той роли, которую он играет в качестве упомянутой в предыдущем разделе лазейки в обход теоремы Коулмена— Мандулы, касающейся возможных видов симметрии в природе.
Суперсимметрия и суперпартнеры
Как мы уже подчеркивали, хотя понятие спина имеет поверхностное сходство с образом вращающегося волчка, оно имеет и значительные отличия, связанные с его квантовой природой. Открытие спина в 1925 г. показало, что имеется еще один вид вращательного движения, который попросту не существует в чисто классической Вселенной.
Рто позволяет задать следующий РІРѕРїСЂРѕСЃ: если обычное вращательное движение РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє принципу симметрии, носящему название инвариантности относительно вращений («физика рассматривает РІСЃРµ возможные направления РІ пространстве как равноправные»), РЅРµ ведет ли это более специфическое вращательное движение еще Рє РѕРґРЅРѕРјСѓ принципу симметрии законов РїСЂРёСЂРѕРґС‹? Примерно Рє 1971 Рі. физики показали, что ответ РЅР° этот РІРѕРїСЂРѕСЃ положителен. Хотя полное доказательство достаточно сложно, основная идея состоит РІ том, что если рассматривать СЃРїРёРЅ СЃ математической точки зрения, РІРѕР·РјРѕР¶РЅР° СЂРѕРІРЅРѕ РѕРґРЅР° дополнительная симметрия законов РїСЂРёСЂРѕРґС‹. РћРЅР° получила название суперсимметрии3).
Суперсимметрии не может быть поставлено в соответствие простое и интуитивно понятное изменение точки зрения наблюдателя: сдвиги во времени, пространственном положении, угловой ориентации и скорости движения уже исчерпали эти возможности. Однако поскольку спин представляет собой «подобие вращательного движения, имеющее квантово-механическую природу», суперсимметрия связана с изменением точки зрения наблюдателя в «квантово-механическом расширении пространства и времени».
120ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ Часть III. Космическая симфония
Кавычки здесь очень важны, поскольку последняя фраза дает только общее представление Рѕ месте суперсимметрии РІ общей системе принципов симметрии РїСЂРёСЂРѕРґС‹4'. Однако понимание принципа суперсимметрии является довольно сложной задачей, Рё РјС‹ сконцентрируем внимание РЅР° его основных следствиях, РЅР° том, согласуются ли законы РїСЂРёСЂРѕРґС‹ СЃ этим принципом. Ртот РІРѕРїСЂРѕСЃ гораздо легче поддается объяснению.
В начале 1970-х гг. физики пришли к выводу, что если Вселенная является суперсимметричной, частицы природы должны входить в набор наблюдаемых частиц парами, при этом спин частиц, образующих пару, должен отличаться на 1/2. Такие пары частиц — независимо от того, считаются ли они точечными (как в стандартной модели) или крошечными колеблющимися петлями — называются суперпартнерами. Поскольку частицы вещества имеют спин 1/2, а некоторые из частиц, передающих взаимодействие — спин 1, суперсимметрия приводит к выводу о наличии пар, о партнерстве частиц вещества и частиц, передающих взаимодействие. Сам по себе этот вывод выглядит весьма привлекательно с точки зрения объединения частиц в одну теорию. Проблема кроется в деталях.
К середине 1970-х гг., когда физики искали способ, который позволил бы включить суперсимметрию в стандартную модель, они обнаружили, что ни одна из известных частиц, перечисленных в табл. 1.1 и 1.2, не может быть суперпартнером для другой. Как показал тщательный теоретический анализ, если Вселенная включает принцип суперсимметрии, то каждой известной частице должна соответствовать еще не открытая частица-суперпартнер, спин которой на половину меньше, чем спин ее известного партнера. Так, партнер электрона должен иметь спин 0; эта гипотетическая частица получила название сэлектрона (сокращение от термина суперсимметричный электрон). То же самое справедливо и для других частиц вещества. Например, имеющие спин 0 гипотетические суперпартнеры нейтрино и кварков получили название снейтрино и скварков. Аналогично частицы, передающие взаимодействия, должны иметь суперпартнеров со спином 1/2. Для фотонов это будут фотино, для глюонов — глюино, для W-бозонов и Z -бозонов — вино и зино.
Таким образом, РїСЂРё более внимательном изучении суперсимметрия оказалась чрезвычайно неэкономичным понятием: РѕРЅР° требовала большого количества дополнительных частиц, дублировавших СЃРїРёСЃРѕРє фундаментальных компонентов. Поскольку РЅРё РѕРґРЅР° РёР· частиц-суперпартнеров РЅРµ была обнаружена, РІС‹ можете довольствоваться приведенным РІ главе 1 замечанием Раби РїРѕ РїРѕРІРѕРґСѓ открытия РјСЋРѕРЅР°, немного усилив его звучание: «Никто РЅРµ заказывал суперсимметрию», Рё, без долгих рассуждений, отказаться РѕС‚ этого принципа симметрии. Существуют, однако, три причины, РїРѕ которым РјРЅРѕРіРёРµ физики твердо убеждены, что такой скоропалительный отказ РѕС‚ суперсимметрии был Р±С‹ преждевременным. РћР±СЃСѓРґРёРј эти причины.