Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

А как насчет самого бозона Хиггса? Какие новые откровения относительно природы материи связаны с ним? Стоит отметить, что бозон Хиггса – это лишь проявление (возбуждение) более фундаментального поля Хиггса – еще одного квантового поля, которым пронизано все пространство и которое является элементом Стандартной модели, поскольку то, как остальные частицы проходят через поле Хиггса, обусловливает наличие у них массы. Например, бозоны W и Z, носители слабого взаимодействия, без него не имели бы массы, и именно механизм Хиггса объясняет, как они ее приобретают – через взаимодействие с полем Хиггса определенным образом, чего не может, например, сделать фотон.

Решающее доказательство существования поля Хиггса было найдено не с помощью непосредственного его наблюдения, а опосредованно, с помощью создания едва уловимого кванта этого поля – бозона Хиггса.

Открытие бозона Хиггса было замечательным достижением. Однако, по правде говоря, эту галочку стоило поставить давно. Поле Хиггса завязано на Стандартную модель, которая тем самым получила надежное подкрепление. Но дело в том, что это открытие не дало никаких новых перспектив в области фундаментальных физических исследований, поскольку не продвинуло наши познания за пределы уже известной нам физики. Стандартная модель остается теми рамками, в которых мы трактуем компоненты материи, однако эта теория не отличается стройностью или прогностической способностью.

Конечно, предстоит еще «просеять» много данных, полученных во время последнего прогона БАКа в декабре 2018 года, так что мы еще можем обнаружить что-то новое. Однако факт остается фактом: перед нами стоит множество вопросов, и для этого, вероятно, придется выйти за пределы того, что может БАК. Почему гравитация настолько слабее, чем другие силы? Почему существует всего три поколения кварков и лептонов? И откуда берется сама масса бозона Хиггса? Возможно, самый насущный вопрос, а поэтому и самый неприятный, поскольку ответ так и не найден: суждено ли нам найти доказательства существования суперсимметрии?

То, что мы хотим, чтобы теория суперсимметрии оказалась верной, не делает ее таковой. Конечно, она решает много проблем и помогает многое понять. К тому же она изящна, логически выстроена и приятна с эстетической точки зрения. Но чем дольше мы не можем найти экспериментального подтверждения теории струн, тем большее разочарование это вызывает. В то же время критики теории утверждают, что эта область привлекает самые умные головы, потому что с ней связаны хорошие рабочие места. Молодые исследователи чувствуют себя увереннее, когда идут по пути, проложенному их наставниками: понятно их опасение потерять финансирование и возможность продвигаться по службе. Тем временем физические факультеты университетов, конкурируя в борьбе за скудные ресурсы, рассматривают теорию струн как дешевый способ оставаться в авангарде физических исследований. Но пока движение вперед идет очень медленно и нет никаких экспериментальных данных, которые подкрепили бы усилия исследователей, голоса оппонентов будут звучать все громче.

Некоторые могут полагать, что если теория суперсимметрии верна, то БАК уже должен был найти этому подтверждение. Самый элементарный класс моделей суперсимметрии (то, что называется ограниченной минимальной симметрией) уже начинает вызывать сомнения. Однако это не означает, что мы отказываемся от идеи суперсимметрии – возможно, мы просто ищем подтверждение не там. В конце концов, эта идея входит в число любимых не только у сторонников теории струн. Более «приземленные» исследователи, занимающиеся физикой частиц, также хотели бы знать, является ли наш мир суперсимметричным. Суперсимметрия позволяет нам понять связь между электрослабым и сильным ядерным взаимодействием, описываемым квантовой хромодинамикой. Она также объединяет материальные частицы и частицы – носители взаимодействия. С ее помощью даже можно объяснить, почему бозон Хиггса обладает определенной массой. Но решение всех этих проблем нивелируется появлением новых: если верить теории суперсимметрии, существует целый ряд частиц, который нам еще предстоит открыть.

Конечно, следует добавить, что если мы докажем верность теории суперсимметрии, то получим неплохой бонус: самая легкая из этих частиц, существование которых нам еще предстоит подтвердить, абсолютно подходит на роль основы для темной материи.

Причины для оптимизма

Тем временем физики-теоретики отнюдь не сидели сложа руки, ожидая новостей от своих коллег-экспериментаторов. Так и не дождавшись ничего нового, увлеченные великолепием своего математического аппарата, они устремились вперед. Не успел Эдвард Виттен в 1990-х годах предложить новую версию теории струн (М-теорию), как в 1997 году Хуан Мальдачена выдвинул новую мощную идею. Она известна под названием теории калибровочной/гравитационной дуальности (или, если использовать технический термин, теории AdS/CFT[35]) и описывает, как струны в теории струн соотносятся с полевыми теориями, касающимися трех видов квантового взаимодействия. Эта математическая идея позже получила более широкое распространение и стала применяться для решения задач в других областях теоретической физики, таких как гидродинамика, кварк-глюонная плазма и конденсированное состояние, а работа Мальдачены стала одной из основополагающих в современной теоретической физике и на сегодня набрала 17 000 цитирований в других статьях.

Мощные идеи, подобные теории калибровочной/гравитационной дуальности, убеждают многих физиков в том, что теория струн – тот путь, по которому надо двигаться дальше. Но даже если окажется, что она не является верной теорией квантовой гравитации, она сделала большое дело – обеспечила физиков полезным и точным математическим инструментарием для доказательства того, что на самом деле существует способ последовательного объединения квантовой механики и общей теории относительности, так что у нас появляется надежда, что такая унификация в принципе возможна. Но факт остается фактом: теория калибровочной/гравитационной дуальности или теория струн не становятся верными только оттого, что они прекрасны с математической точки зрения.

Тогда что нам поможет получить окончательный ответ на наш вопрос? Может, теория струн или исследователи, работающие над теорией квантовой информации, которые пытаются создать квантовые компьютеры, а может быть, теория конденсированного состояния. Становится все более ясно, что во всех этих областях применим один и тот же математический аппарат. В поисках верной теории квантовой гравитации нам, возможно, даже не понадобится квантовать гравитацию. Вероятно, попытки силой сблизить теорию квантового поля и общую теорию относительности – не совсем верный путь. Есть некоторые свидетельства в пользу того, что теории квантовых полей содержат в себе сущность искривленного времени-пространства и что общая теория относительности может оказаться ближе к квантовой механике, чем мы всегда себе представляли.

Очень хотелось бы знать,