Гиперпространство - Каку Митио

Вспомним, что в Стандартной модели такая симметрия, как SU (3), предусматривает переход трех кварков друг в друга, т. е. мультиплет состоит из трех кварков. Это означает, что каждый из кварков при определенных условиях (например, при обмене частицы Янга-Миллса) может превратиться в один из двух других кварков. Но стать электронами кварки не могут. Мультиплеты не перемешиваются. Однако в симметричной группе SU (5), согласно теориям Великого объединения, в мультиплете есть пять частиц, способных переходить одна в другую: три кварка, электрон и нейтрино. Это значит, что при определенных условиях можно превратить протон (состоящий из кварков) в электрон или нейтрино. Другими словами, теории Великого объединения гласят, что протон, который долгое время считали стабильной частицей с бесконечной продолжительностью жизни, на самом деле нестабилен. В принципе, это означает также, что все атомы Вселенной в конце концов распадутся, станут излучением. Если это предположение справедливо, значит, химические элементы, называемые в курсе элементарной химии устойчивыми, на самом деле нестабильны.

Но отсюда вовсе не следует, что атомы нашего организма в обозримом будущем распадутся и станут излучением. Вычисленный период распада протона на лептоны составляет порядка 1031 лет, т. е. значительно превосходит продолжительность существования Вселенной (15–20 млрд лет). Этот результат не смущает экспериментаторов. Поскольку в обычном резервуаре с водой содержится астрономическое количество протонов, существует поддающаяся измерению вероятность, что какой-нибудь протон в этом резервуаре подвергнется распаду, несмотря на то что в среднем период распада протона имеет космические временные масштабы.

Поиски протонного распада

Теоретические расчеты в течение некоторого времени подвергались проверке: несколько групп физиков всего мира проводили эксперименты стоимостью многие миллионы долларов. Создание детекторов, достаточно чувствительных, чтобы выявить протонный распад, потребовало дорогостоящих, сложных и современных технологий. Прежде всего экспериментаторам понадобились огромные резервуары, в которых протонный распад должен был происходить. Затем эти резервуары надо было наполнить богатой водородом жидкостью (например, водой или чистящим средством), из которой особым способом были отфильтрованы все примеси и загрязняющие вещества. И самое главное, эти резервуары требовалось зарыть в землю на большую глубину, чтобы уберечь от воздействия космического излучения, обладающего огромной проникающей способностью. Наконец, предстояло сконструировать тысячи высокочувствительных детекторов для фиксации слабых следов субатомных частиц, испускаемых при протонном распаде.

Примечательно, что к концу 1980-х гг. в мире действовало шесть гигантских детекторов, таких как детектор в лаборатории Камиока в Японии и детектор IMB (Ирвайн, Мичиган, Брукхейвен) неподалеку от Кливленда, Огайо. Они содержали гигантские количества чистой жидкости (такой, как вода) — от 60 до 3300 тонн. (К примеру, детектор IMB, самый большой в мире, находится в огромном кубе со стороной 20 м, размещенном в соляной шахте под озером Эри. При любом спонтанном распаде протона в очищенной воде возникнет микроскопическая вспышка, которую уловит один из 2048 фотоэлементов.)

Для того чтобы понять, как эти исполинские детекторы способны измерить продолжительность жизни протона, приведем аналогию с американским населением. Нам известно, что среднестатистический американец может рассчитывать на продолжительность жизни около 70 лет. Но нам незачем ждать 70 лет, чтобы констатировать смертные случаи. Поскольку численность американцев велика, а точнее, превышает 250 млн человек, следует ожидать, что каждые несколько минут кто-нибудь из американцев умирает. Так и простейшая теория Великого объединения SU (5) предполагает, что период полураспада протона должен составлять около 1029 лет, т. е. по прошествии 1029 лет половина протонов Вселенной распадется[64]. (Для сравнения: это примерно в 10 квинтиллионов раз больше продолжительности жизни самой Вселенной.) Этот срок кажется огромным, тем не менее детекторы должны улавливать даже столь редкие и мимолетные события просто потому, что в каждом таком детекторе очень много протонов. Точнее, в каждой тонне воды содержится более 1029 протонов. При таком их обилии ежегодно можно ожидать распада десятка протонов.

Но сколько ни ждали экспериментаторы, им так и не удалось увидеть неоспоримые свидетельства протонного распада. В настоящий момент более вероятной представляется продолжительность существования протона, превышающая 1032 лет, что противоречит упрощенным теориям Великого объединения, но допускает, что более сложные из этих теорий верны.

Поначалу восторг, связанный с теориями Великого объединения, выплеснулся в прессу. Поиски объединенной теории вещества и протонного распада привлекли внимание продюсеров научно-популярных фильмов и писателей. На телеканале Nova этим вопросам было посвящено несколько показов; об этом написаны популярные книги и многочисленные статьи в научных журналах. Но к концу 1980-х гг. фанфары умолкли. Сколько ни ждали физики, когда какой-нибудь протон распадется, протоны никак не желали содействовать им. В ожидании этого события несколько государств потратили десятки миллионов долларов, и все напрасно. Интерес общественности к теориям Великого объединения начал угасать.

Возможно, протоны все-таки распадаются и теории Великого объединения верны, но теперь физики гораздо осторожнее преподносят их как «окончательные» — по нескольким причинам. Как и Стандартная модель, теории Великого объединения не учитывают гравитацию. Если объединить их примитивным образом, получившаяся теория даст бесконечные, а следовательно, не имеющие смысла величины. Как и Стандартная модель, теории Великого объединения неперенормируемы. Более того, они сформулированы применительно к колоссальным энергиям, когда можно с уверенностью ожидать гравитационных проявлений. Таким образом, сам факт отсутствия гравитации в теориях Великого объединения является серьезным изъяном. Вдобавок их портит загадочное присутствие трех идентичных копий, или семейств, частиц. И наконец, эти теории не могут предсказывать такие фундаментальные константы, как массы кварков. Теориям Великого объединения недостает более масштабного физического закона для определения массы кварков и других констант на основании перво-принципов. В конечном итоге теории Великого объединения также оказываются «филателией».

Главную проблему представляла неспособность поля Янга-Миллса служить «связующим веществом» для объединения всех четырех взаимодействий. Мир «дерева», отображаемый полем Янга-Миллса, оказался недостаточно мощным для объединения мира «мрамора».

После полувекового забытья наступил момент «реванша Эйнштейна».

6. Реванш Эйнштейна

Суперсимметрия — окончательное решение для полного объединения всех частиц.

Возрождение теории Калуцы-Клейна

Эту проблему называли «величайшей в науке всех времен». В прессе ее именовали святым Граалем физики, стремлением объединить квантовую теорию и гравитацию, тем самым создав «теорию всего». Эта задача не давала покоя самым блистательным умам XX в. Не вызывало сомнений, что решивший ее будет удостоен Нобелевской премии.

К 1980-м гг. физика зашла в тупик. Сила гравитации упрямо держалась особняком от трех других сил. Парадоксально, но, несмотря на то что первое представление о классической теории гравитации физики получили благодаря трудам Ньютона, к пониманию квантовой теории гравитации они пришли в последнюю очередь (из всех теорий взаимодействия).

Все корифеи физики пытались решить эту задачу, но безуспешно. Эйнштейн посвятил единой теории поля последние 30 лет своей жизни. Даже великий Вернер Гейзенберг, один из основателей квантовой теории, конец жизни посвятил попыткам создать свой вариант единой теории поля и опубликовал труд, посвященный этому предмету. В 1958 г. Гейзенберг объявил по радио, что ему вместе с его коллегой Вольфгангом Паули наконец удалось разработать единую теорию поля, недостает лишь некоторых технических деталей. (Когда пресса распространила это ошеломляющее заявление, Паули пришел в ярость — из-за того, что Гейзенберг поспешил. Паули отправил соавтору письмо, в которое вложил чистый лист бумаги с подписью: «Вот доказательство, что я умею рисовать, как Тициан. Недостает лишь технических деталей»[65].)