«Совместимость несовместимого»

Созданные в начале прошлого века основы новой теории гравитации длительное время были примером завершенности и логической стройности научных построений. Казалось, человеческая мысль достигла предельных высот, с которых можно изучать мир с первых мгновений его жизни и до невероятно далеких времен, когда он превратится в фейерверк элементарных частиц. Расширяемый пространство с роем галактик разлетаются, и провалами застывших звезд, космические миры в оболочке элементарных частиц, кипящий вакуум с невидимыми виртуальными частицами .. .

 

В средней школе мы учим, что здание современной физики возведена на фундаменте законов сохранения, но редко при этом понимаем, что те, в свою очередь, скрепленные между собой принципами физической симметрии. Впрочем, получается, что симметрия - это самое главное, что есть в физике, и с этим, поразмыслив, нельзя не согласиться. В физике есть теорема о том, что каждой симметрии обязательно соответствует некоторая хранимых величина. Так, если все свойства системы остаются неизменными при вращении, должно сохраняться ее момент количества движения. Симметрии в свойствах элементарных частиц связаны с законами сохранения электрического заряда, странности и других характеристик. Законы сохранения устанавливают ограничения на возможные движения системы и процессы, происходящие в ней. Их знания чрезвычайно важно для понимания ее свойств.

 

В основу современной физики силовых полей и элементарных частиц возлагаются особые преобразования их свойств по группам симметрий, созданных знаменитым французским математиком Эварист Галуа незадолго до трагической гибелью на дуэли. Они позволяют объединить частицы в замкнутые семейства-мультиплет, члены которых при преобразовании симметрии переходят друг в друга. Каждый такой мультиплет можно считать одной и той же долей в различных своих состояниях. А главное - теория Галуа позволяет перечислить сразу все мультиплетов с такой симметрией, причем и те, которые еще не открыты опытным путем. При этом для каждого типа симметрии формулы Галуа устанавливают строго упорядоченный набор мультиплетов, начиная от самых простых с небольшим числом членов в сложных, многокомпонентных. Каждому типу симметрии соответствует свой собственный набор, содержит свою систематику частиц. Открытие каждой новой симметрии является важным событием в физике, что порождает поток экспериментальных и теоретических исследований.

 

Здесь надо упомянуть об очень важное свойство поля калибровать частицы. Симметрия системы при этом мгновенно разрушается. Поле по-разному взаимодействует с симметричными состояниями частиц и будто навешивает им ярлыки - этикетки, по которым можно судить об их заряду состояния и другие параметры. Например, оно позволяет установить, какая из двух симметричных частиц является отрицательно заряженным электроном, а какая - положительным позитроном. При этом полевое калибровки может изменяться в различных областях пространства и времени.

 

Теперь получим самого «дна» материи, вымощенного супереле-ментарнимы кирпичиками из шести известных нам сегодня кварков, составляющих все известные элементарные частицы. Кварки представляют собой семейство трех совершенно равноправных, симметричных между собой частиц, а калибровка их особое глюонной поле, действующее на очень малых расстояниях. Оно по-разному взаимодействует с компонентами кварковых триплетов, окрашивая их в красный, синий и желтый цвет. Естественно, что цвета кварков здесь совершенно условны, и их можно было бы заменить, например, штриховкой: косой, клет-частой и ромбом. Для каждой симметрии есть свое калибровочное поле. Физики умеют однозначно предусматривать его свойства. В частности, поле глюонов было изучено теоретически задолго до того, как его кванты-глюоны были обнаружены опытным путем.

 

Четыреста лет назад Галилео Галилей открыл замечательную симметрию двух систем координат - неподвижной и равномерно движущейся по прямой линии. Физические процессы продолжаются в них совершенно одинаково. Так, находясь в трюме корабля, никакими опытами нельзя установить, пришвартованный он в порту или равномерно и плавно пересекает океан. Правда, такую полную симметрию Галилей установил только для сравнительно небольших скоростей механических процессов. В начале прошлого века уже Лоренц, Пуанкаре и Эйнштейн доказали, что подобная симметрия сохраняется при любых скоростей, сплошь до скорости света. При этом она будет справедливой не только для механических, но и вообще для любых физических процессов. С помощью разработанных в теоретической физике правил для этой симметрии можно найти свое калибровочное поле. Оказывается, эту роль выполняет гравитация!

 

Получается, что если поле калибрует движения с различными скоростями, то его уравнения будут полностью совпадать с гравитационными уравнениями общей теории относительности. Другими словами, общую теорию относительности можно выстраивать по двум направлениям: исходя из физических соображений о свойствах гравитации, как это сделал в свое время Эйнштейн, или основываясь на законах симметрии. Второй путь позволяет продвинуться еще дальше, если найти более общую симметрию. Тогда калибровочное ее поле будет подчиняться какой-то надзагальний теории относительности. Теория будто подсказывает путь ее развития - нужно открыть еще одну симметрию, только такую общую, чтобы она охватывала все известные нам виды материи.

 

Опыт убеждает нас в том, что многие элементарных частиц похожи на маленькие безостановочно вращающиеся волчки. Можно считать, что это связано с какими-то круговыми, вращательными движениями в недрах частиц, впрочем, привычные для нас наглядные образы могут лишь очень отдаленно воссоздавать картину микромира. И все же, как ни крути, квантовые законы, которым подчиняются микропроцессов, позволяют передавать только дискретные порции энергии, поэтому вращательное движение внутри частиц тоже происходит не с любыми, а только с некоторыми дискретными угловыми моментами. Их называют спинами частиц, и они могут приобретать целых и полуцелым значений. Частицы с целыми спинами называются бозонами, а с полуцелым-мы - фермионами, их так назвали в честь индийского теоретика С. Бозе и итальянского физика Э. Ферми, которые первыми начали изучать специфические особенности этих двух видов частиц.

 

К бозонов принадлежат глюоны, частица света фотон, квант гравитационного поля гравитон, много типов мезонов. К фермионов относятся кварки, электрон, нейтрино, протон с нейтроном и большинство других тяжелых частиц. Нетрудно заметить, что эти классы частиц играют совершенно разную роль в строении вещества. Фер-МИОНА составляют основу вещества, а бозоны - кванты калибровочных полей, связывающих их. Свойства бозонов и фермионов настолько разные, что физики долгое время были уверены в том, что это - принципиально разные частицы материи. Первые подозрения относительно скрытой родства бозонов и фермионов возникли у теоретиков. Слишком похожим был математический аппарат, описывающий эти два типа частиц! Да и вообще, если за единицу измерения взять спин, равный половине, то в бозонов будут парные цели спины, а в фермионов - нечетные целые. Принципиальной разницы нет. Но почему же тогда природа разделила их непроницаемой стеной? Ведь на фоне различных взаимопревращений частиц, столь характерных для микромира, фермионы всегда остаются фермионами, а бозоны - бозонами! В чем тут дело?

 

Сомнения усилились после открытия глюонов. Хотя это типичные бозоны и выполняют роль связующего звена в кварковых структурах, они тем не менее могут сами порождать новые кварки, которые, в свою очередь, склеивают их между собой. Получается, что четкой границы между свойствами бозонов и фермионов нет и те же глюо-ны имеют двойственную природу.

 

К идее бозон-фермионних родства теоретики пришли, анализируя уравнения, которым подчиняются эти частицы. Они придумали, как записать эти уравнения в виде, симметричном для целых и полуцелым спинов. А если есть симметрия, то стандартные методы теории Галуа позволяют вычислить соответствующие мультиплетов: как говорится, это уже дело техники.

 

Новая симметрия получила название суперсимметрии. Она утверждает, что в случае перестановки бозонних и фермионних частиц физические законы должны оставаться неизменными. Это как зеркальное отражение природы, при котором фермионы превращаются в бозоны, а бозоны - на фермионы. Отсюда сразу же следует, что у каждого бозона должна быть партнер - фермион, и наоборот. Наряду с известными нам кварками-фермионами в природе должны быть еще кварки-бозоны и целая россыпь еще открытых элементарных частиц, состоящих из них.

 

У электрона, позитрона, нейтрино также должны быть партнеры - бозоны. Еще не открыт партнер, его называют фоты-но, есть и у частицы света фотона. Словом, все частицы в природе должны иметь своего суперсимметричных партнеров. Часто один из них - это легкая частица, иногда даже без массы, как фотон или нейтрино, а второй - очень тяжелое. Например, бозонний электрон весит, по крайней мере, в сорок тысяч раз больше обычного электрона. Не меньшее масса в бозонного нейтрино и в Фотина. К таким выводам подводят и расчеты и экспериментальные данные, ведь если бы частицы были легкими, для их рождения в ядерных реакциях нужно было бы меньше энергии и они давно были бы обнаружены. Некоторые суперсимметричные партнеры могут быть в миллиарды и даже в миллиарды миллиардов раз тяжелее протона.

 

Ни космические лучи, ни один из активных ускорителей не имеют достаточной энергии, чтобы произвести такие тяжелые крупицы материи. Для физиков идея суперсимметрии чрезвычайно привлекательной и перспективной, однако пока это только гипотеза. Чтобы она стала доказанным фактом, нужно открыть хотя бы некоторые из предусмотренных ею частиц, например бозонни кварки или суперпартнеров электрона и нейтрино. Тем не менее это не мешает физикам использовать идею суперсимметрии в своих теоретических исследованиях и в первую очередь - для построения квантовой теории тяготения.

 

Вернемся теперь к Гравитон - гипотетического кванта поля тяготения. Если справедливая гипотеза суперсимметрии, у него тоже есть партнер - гравитино. Это квант калибровочного поля различает фермионних и бозонни частицы. Вместе с гравитоном он образует семейство двух гравичастинок. В бозона-Гравитон спин равен 2, в фермионних-гравитино - 3/2. Гравитон подобный фотона и не имеет массы, всегда двигаясь со скоростью света. Масса гравитино точно неизвестна, но, по оценкам, наверное, раз в сто больше от протонной, т.е. не менее, чем у ядра серебра, поэтому гравитино рождается на очень малых расстояниях, меньших тысячную диаметра протона. Под его влиянием поле тяготения приобретает там совершенно новых признаков - становится супергравитацией. Теория Эйнштейна для нее уже неприменима. Здесь нужна новая теория, объединяющая квантовую механику, идею суперсимметрии и общую теорию относительности. Она и была создана усилиями физиков многих стран.

 

Изучение супергравитации только начинается. Главное препятствие - отсутствие экспериментальных данных. Некоторые косвенные сведения дает только космология. Эволюция Вселенной в ранний период его жизни, когда он был смесью частиц, быстро рождались, распадались и взаемоперетворювалися, должна была зависеть от свойств гравитино. Сравнивая разные теоретические космологические сценарии развития Вселенной с астрофизическими наблюдениями, можно сделать некоторые грубые предположения.

 

Впрочем, Супергравитация - не исключение, через экспериментальный «голод» страдает и теория Эйнштейна. За семьдесят лет ее существования удалось найти всего лишь несколько качественно различных явлений, на основе которых можно проверить ее выводы. Слишком трудно экспериментировать с гравитационными взаимодействиями! В исследовании их свойств пока можно надеяться преимущественно на теорию. Для этого физикам приходится изучать и сравнивать различные ее варианты, отбирая те, которые используют меньшее количество предположений и одновременно более последовательные и самоорганизующиеся. Это похоже на разгадывание кроссворда: хотя для каждой колонки или строки пустых ячеек можно найти несколько подходящих слов, их вза-еморозташування предотвращает свободном трактовке, и вообще получается стройная симметричная фигура.

 

Однако даже в этом простейшем варианте новая теория чрезвычайно сложная математически. Эйнштейн шутку как-то заметил, что с тех пор, как на его теорию насели математики, он сам перестал ее понимать. Но по сравнению с теорией супергравитации общая теория относительности - легкое чтение! Новая теория использует не только обычные, известные нам по арифметике числа, но и так называемые Грассмана числа, произведение которых зависит от порядка сомножителей. (Вот когда уже наверняка дважды два не всегда четыре!) В ней получил применение весь аппарат современной дифференциальной геометрии и наиболее абстрактные разделы теории симметрий (математики называют ее теорией групп).