Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса - Дэйв Голдберг

В ту же игру мы можем играть — и уже играли — с вселенскими законами. Всего лишь из трех внутренних симметрий мы тут же вывели список всех частиц и сил во вселенной. Мы можем снабдить вас полным перечнем возможных фермионов (напомню: это частицы со спином ‑½, которые составляют вещество). Мы способны предсказать все фундаментальные взаимодействия и бозоны, которые служат их переносчиками. Мы можем разобраться, какой заряд, цвет, слабый изоспин или гиперзаряд у какой частицы.

Неплохо.

Итак, мы уже нашли все до единой частицы, предсказанные стандартной моделью, и ничего лишнего. Помимо этого, мы можем вычислить всевозможные взаимодействия с безумной точностью до десятого знака после запятой.

И при всем при том на нетренированный взгляд стандартная модель выглядит как-то неэлегантно. Некоторые ее законы ужасно узкоспециальные и, положа руку на сердце, вызывают почти у всех, кто над ними задумывался, неприятное ощущение, что тут должно быть что-то куда как глубже. Стандартная модель — это такая шикарная квартира, в которой вы замазали все щели зубной пастой в надежде, что хозяин вернет вам залог, который вы внесли, когда ее снимали. Вид, конечно, очень красивый и аккуратный — и по большей части все и правда красиво и аккуратно, — однако некоторые важные вопросы определенно требуют ответа.

Нет физики — нет проблем

У стандартной модели, как вы сейчас убедитесь, есть некоторые проблемы, но перед тем, как я в них углублюсь, хочу обратиться к вам с небольшой просьбой. К подобным признаниям принято относиться с излишней серьезностью, как будто любую проблему нужно срочно-срочно решать. Отнюдь нет. Нынешняя модель вселенной не лишена недостатков, однако не может быть, чтобы мы настолько уж отклонились от истины. Общая теория относительности гораздо точнее ньютоновой теории гравитации, однако это не означает, что мы, обитатели постэйнштейновского мира, должны насмехаться над Ньютоном. Подобным же образом не так уж важно, каким именно образом мы объединим квантовую механику и гравитацию — обе теории, если не случится ничего катастрофического, все равно позволят нам и дальше делать очень точные предсказания.

При всем при том сейчас я познакомлю вас с одним прелестным образчиком из нашей сокровищницы невежества, а потом проведу экскурсию по самым лучшим на данный момент способам разобраться с этим безобразием.

Почему симметрии именно такие, а не другие?

Вся наша модель вселенной построена на симметриях. Одни симметрии, например, изотропия (законы одинаковы по всем направлениям), однородность (одинаковы везде) и инвариантность времени (одинаковы в любой момент времени), представляются довольно-таки естественными. Даже относительность, Лоренц-ковариантность, которая позволяет всем наблюдать одну и ту же скорость света, обладает определенной красотой и элегантностью, которая позволяет ей выглядеть естественно.

Но стоит нам углубиться во внутренние симметрии стандартной модели — и они, честно говоря, представляются совершенно узкоспециальными (то есть некрасивыми) даже непосвященным. Конечно, фазовая симметрия, та, благодаря которой у нас есть электромагнетизм, устроена вроде бы проще некуда. Однако среди всех прочих, тех, из которых вырастают слабое и сильное взаимодействия, есть много отнюдь не таких простых. Почему вселенная избрала именно их?

А некоторые симметрии опережают по сложности даже те, которые генерируют силы. Пересмотрите еще раз перечень частиц из стандартной модели — и вы обнаружите, что все фермионы красиво и аккуратно распределяются по трем поколениям, каждое следующее массивнее предыдущего. Например, верхний и нижний кварки самые легкие. Очарованный и странный на вид почти такие же — одинаковый заряд, одинаковый спин, одинаковые взаимодействия — однако примерно в сто раз массивнее. Топ— и боттом-кварки (они же прелестный и истинный кварки) такие же, но еще в несколько сотен раз массивнее.

Зачем вселенной три поколения фермионов, когда практически все взаимодействия в нашей повседневной жизни прекрасно обошлись бы и одним? Как высказался нобелевский лауреат Исидор Раби по поводу открытия мюона, который представляет собой всего лишь разновидность электрона во втором поколении:

Такое ощущение, что вселенная не просто выбрала самые простые из возможных симметрий и удовольствовалась ими. Вот, например, почему вселенная леворукая?

Когда создается нейтрино, оно всегда вращается в одну определенную сторону. И это не просто курьез. То, что вселенная сделала определенный выбор, пусть и самый что ни на есть произвольный, несказанно важно — по крайней мере, для всего, что основано на веществе. Еще в первой главе Андрей Сахаров показал нам, что во вселенной-амбидекстере избытка того, что местные жители могли бы назвать веществом, быть не может.

Так почему же и как вселенная выбрала одно направление, а не другое? Нет никаких особых причин, по которой у нас не может быть самой что ни на есть симпатичной вселенной, идентичной нашей, только не леворукой, а праворукой. И почему только слабое взаимодействие, так сказать, «ходит налево»?

Это отнюдь не риторический вопрос. Среди уроков, который преподают нам симметрии, едва ли не самый важный состоит в том, что если теория в принципе может охватить какое-то конкретное явление, она его, скорее всего, охватит. В частности, это можно сказать о квантовой хромодинамике — теории сильного взаимодействия[107], которая весьма естественно содержит слагаемое, нарушающее симметрию отражения.

Попробуйте представить это себе следующим образом. Предположим, вы сидите за круглым столом на роскошном званом обеде и обнаруживаете два бокала с водой — один справа от вас, а другой слева. Разумеется, в книге «Как себя вести» написано, из какого бокала вам положено пить[108], однако предположим, что манеры у вас такие же скверные, как и у меня, — тогда вам подойдет любой бокал. Однако дело вот в чем: если вы выберете, например, тот бокал, который от вас слева, у вашей соседки слева не останется выбора: ей придется пить из бокала, который стоит слева от нее, и т. д. Если симметрия нарушается, она нарушается везде.

Не существует никаких доказательств, что у сильного взаимодействия есть хоть какое-то предпочтительное направление, а между тем проведены эксперименты, которые выявили бы асимметрию с точностью до одной миллиардной.

Интересное потенциальное решение предложили в 1977 году Роберто Печчеи и Элен Куинн. Они выдвинули гипотезу, что симметрия «лево-право» сама по себе — как и другие симметрии — предполагает наличие частицы. В этом случае частица называется «аксион». Аксион не просто объясняет симметрию сильного взаимодействия. Поскольку эта разновидность частиц нейтральна, массивна и — как можно ожидать — весьма многочисленна, то если аксион существует, он может оказаться недостающей частицей темного вещества. Слово «может» здесь ключевое. Пока что самые усердные поиски и в космосе, и в лаборатории не дали ни малейшего результата.

Что значит «сильное» и «слабое»?

Сами названия фундаментальных взаимодействий многое говорят об их важнейших качествах. Два из них называются слабым и сильным. Мы уже поняли, почему слабое взаимодействие такое слабое (поле Хиггса), но почему сильное — такое сильное? Если бы сильное взаимодействие не было сильнее электромагнетизма, кварки в ваших протонах и нейтронах отталкивались бы друг от друга так неистово, что это вызывало бы взрыв, который уничтожил бы и вас, и все, что вы любите. Так что нам очень повезло, что сильное взаимодействие так сильно, однако это же не объясняет, почему ему обязательно нужно быть именно таким, верно?

Даже слабое взаимодействие, невзирая на название, на самом деле процентов на 80 сильнее электромагнетизма. Оно кажется слабым лишь из-за того, что его переносчики так массивны. Когда удается разогнать этих крошек до скорости, близкой к скорости света, слабое взаимодействие становится гораздо сильнее — то есть не то слово!

А относительная сила взаимодействий — это только верхушка айсберга. Не надо забывать, что в стандартной модели девятнадцать свободных параметров. В их число входят не только величины всевозможных сил, но и массы разных частиц и то, как сочетаются силы и частицы. Причем все эти числа — не незатейливые математические величины вроде, например, единицы или p. Напротив, как выяснилось, это какие-то малосимпатичные числа вроде 1,137,0359… для электромагнитного взаимодействия или 125 ГэВ для массы Хиггса.

Мы мимоходом затрагивали тему антропного обоснования законов физики. Не исключено, что эти девятнадцать с чем-то параметров в разных частях множественной вселенной разные, а по какой-то загадочной причине, которую мы еще не установили, лишь некоторые их сочетания, в частности, наше, допускают развитие жизни столь высокоорганизованной, что она способна создать ускорители частиц. А еще не исключено, что мы просто пока плоховато знаем физику, чтобы предсказать эти величины на основании фундаментальных законов, и нам просто повезло.