Мы изложили идею объединения. Пришло время представить ее на окончательный суд Природы. Мы ожидаем вердиктов от ускорителей, из космоса и из-под земли.
Мы видели, что теории основных сил, каждая из которых основана на симметрии, могут быть объединены. Три отдельные Центральные симметрии могут быть реализованы в качестве частей единой, всеобъемлющей симметрии. Более того, эта всеобъемлющая симметрия привносит единство и согласованность в кластеры Центральной теории. Из пестрой шестерки мы собираем безупречный кредитный счет. Мы также обнаружили, что после внесения поправок на искажающий эффект колебаний Сетки, а также включения суперсимметрии (SUSY) различные силы Центральной теории получаются из общего значения на малых расстояниях. Даже гравитация, этот безнадежно слабый и не вписывающийся в общую картину компонент, находит свое место.
Чтобы достичь этой ясной и возвышенной перспективы, мы совершили некоторые смелые скачки в своем воображении. Мы предположили, что Сетка — сущность, которую в повседневной жизни мы считаем пустым пространством, представляет собой многослойный и многоцветный сверхпроводник. Мы предположили, что мир содержит дополнительные квантовые измерения, необходимые для поддержания суперсимметрии. Кроме того, мы смело применили законы физики, дополненные этими двумя «супер»-предположениями, к уровням энергии и расстояниям, выходящим далеко за пределы того, что мы способны непосредственно проверить.
Достигнутые интеллектуальные успехи — ясность и согласованность видения объединения — заставляют нас верить в то, что наши предположения соответствуют действительности. Однако в мире науки окончательным судьей является Мать-природа.
После того как солнечная экспедиция 1919 года подтвердила предсказание Альберта Эйнштейна об отклонении Солнцем луча света, репортер спросил ученого, что бы означал иной результат. На что Эйнштейн ответил: «Тогда Бог упустил бы прекрасную возможность». Природа не упускает таких возможностей.
Я ожидаю, что приговор Природы в пользу наших «супер»-идей ознаменует начало нового золотого века в фундаментальной физике.
Проект БАК
Недалеко от Женевы, в лаборатории ЦЕРН, протоны будут двигаться по 27-километровому круговому туннелю со скоростью, равной 0,999998 скорости света. В противоположном направлении будут испускаться два плотных луча. Они будут встречаться в четырех точках взаимодействия, в которых детекторы размером с пятиэтажное офисное здание будут отслеживать взрывные результаты столкновений. Это проект Большого адронного коллайдера (БАК) (рис. 21.1).
Рис. 21.1. Детектор ATLAS в ЦЕРНе
Огромный размер ускорителя БАК — это ответ нашей цивилизации пирамидам Древнего Египта. Однако по многим параметрам этот памятник является более благородным. Он был порожден любопытством, а не суеверием. Это продукт сотрудничества, а не приказа.
И гигантский масштаб ускорителя БАК является не самоцелью, а побочным эффектом его функции. На самом деле общий физический масштаб проекта не является единственным или даже наиболее впечатляющим из его аспектов. Внутри этого длинного туннеля находятся сложно устроенные и точно выровненные сверхпроводящие магниты. Каждый из этих могущественных гигантов имеет длину 15 метров, но построен с субмиллиметровыми допусками. Электроника обеспечивает необходимый точный хронометраж. При разделении столкновений и отслеживании частиц подсчитываются наносекунды.
Поток необработанной информации, получаемый в процессе работы ускорителя, является ошеломляющим не только для мозга, но и для компьютерных сетей. Согласно оценкам, ежегодно БАК будет производить 15 петабайт (1,5 × 1015 байт) информации. Это соответствует пропускной способности полумиллиона телефонных разговоров, происходящих одновременно и без остановок. Для обработки этой информации в настоящее время разрабатываются новые архитектуры, которые позволяют тысячам компьютеров по всему миру разделить нагрузку. Это так называемый (компьютерный) Грид-проект.
Ускоритель БАК достигнет достаточно большой концентрации энергии для проверки обоих наших «супер»-предположений.
Мы можем довольно точно оценить, что требуется для выбивания куска конденсата, ответственного за (электрослабую) сверхпроводимость Сетки. Слабое взаимодействие имеет место на коротких, но не бесконечно коротких расстояниях. W− и Z−бозоны являются тяжелыми, но не бесконечно тяжелыми частицами. Наблюдаемый диапазон взаимодействия и масса его переносчиков обеспечивают нам хорошее понимание жесткости конденсата, ответственного за эти эффекты. Зная жесткость, мы можем оценить, сколько энергии нам нужно сконцентрировать, чтобы оторвать отдельные куски (кванты) конденсата или, выражаясь более прозаично, создать частицу Хиггса, или частицы, или сектор, или что-то другое, что делает Сетку космическим сверхпроводником. Если наши идеи не являются слишком ошибочными, ускоритель БАК справится с этой задачей.
Похожая история и c суперсимметрией. Мы хотим, чтобы колебания Сетки, связанные с новыми полями-суперпартнерами, приводили к объединению сил связи. Если они способны решить эту задачу, то возбуждения, связанные с этими полями, не могут быть слишком жесткими. Некоторые из их возбуждений — некоторые новые частицы SUSY, партнеры известных нам частиц, — должны быть произведены и обнаружены на ускорителе БАК.
Если частицы-суперпартнеры действительно будут обнаружены, они предоставят нам новые сведения относительно физики объединения. Массы и связи этих частиц, как и основные связи взаимодействий Центральной теории, будут искажены эффектами колебаний Сетки. Однако подробности этих искажений, согласно предположениям, будут определенным образом различаться. Если все пойдет хорошо, то успешный, но изолированный и слабо обоснованный расчет объединения, который мы имеем сегодня, может превратиться в процветающую экосистему взаимодополняющих результатов.
Темная материя в равновесии
К концу XX века физики консолидировали свою чрезвычайно успешную теорию материи — Центральную теорию. Ее компактное, но вместе с тем удивительно полное и точное описание основных законов материи стало венцом многовековой работы.
Однако параллельно с этим астрономы сделали потрясающие новые открытия, которые вернули нам смирение. Они обнаружили, что материя, с которой мы веками имели дело, материя, которую изучает биология, химия, инженерия и геология, материя, из которой состоим мы сами и которая прекрасно описывается нашей Центральной теорией[58], — эта обычная материя составляет лишь около 5 % массы всей Вселенной!
Остальные 95 % содержат по крайней мере два компонента, называемые темной энергией и темной материей.
На темную энергию приходится около 70 % массы. Она наблюдалась только по гравитационному влиянию, которое она оказывает на движение обычной материи. Не было замечено, чтобы эта материя излучала или поглощала свет; она является не темной в обычном смысле слова, а прозрачной. Кажется, темная энергия равномерно распределена по всему пространству, причем ее плотность остается постоянной во времени. Теория темной энергии находится в плохом состоянии. Это задача на будущее.
Темная материя составляет около 25 % массы. Она тоже наблюдалась только по гравитационному воздействию, оказываемому на движение обычной материи. Темная материя неравномерно распределена в пространстве, а ее плотность не является постоянной во времени. Она собирается в сгустки, хотя и не такие плотные, как обычная материя. Вокруг каждой тщательно изученной галактики астрономы обнаружили протяженный ореол темной материи. Эти ореолы размыты — в областях, где они перекрываются, их плотность, как правило, в миллион раз меньше плотности обычной материи, однако они занимают гораздо больший объем по сравнению с обычной материей. Вместо того чтобы говорить о галактиках как об объектах, обладающих ореолами, было бы более уместным говорить о галактике, состоящей из обычной материи, как о примеси в темной материи.
Думаю, что проблема темной материи созрела для решения.
Среди новых частиц-партнеров, предсказанных суперсимметрией, одна является особенной — самой легкой. Ее свойства зависят от деталей, относительно которых у нас нет убедительных идей (особенно от конкретных значений масс всех суперсимметричных партнеров). Поэтому мы должны испробовать все возможности. Мы обнаружили, что во многих случаях самый легкий суперсимметричный партнер живет чрезвычайно долго — дольше, чем Вселенная, — и очень слабо взаимодействует с обычной материей. Однако самым поразительным является то, что, когда мы применяем наши уравнения к Большому взрыву, чтобы увидеть, какая часть этого вещества могла бы сохраниться до сегодняшнего дня, мы обнаруживаем, что она примерно соответствует количеству темной материи. Естественно, все это говорит о том, что самый легкий партнер суперсимметрии — это и есть темная материя.
Поэтому вполне возможно, что, исследуя основные законы физики на сверхкоротких расстояниях, мы отгадаем важную космологическую загадку и начнем избавляться от утомительного смирения. Если появится какая-либо частица — кандидат на звание создателя темной материи, отличной идеей будет проверить, действительно ли этот кандидат справляется с задачей. Что касается теории, то нам нужно будет выявить все реакции, связанные с возникновением темной материи в момент большого взрыва, и произвести вычисления. Что касается эксперимента, мы хотим проверить, действительно ли кандидат является тем, что существует. Когда вы точно знаете, что ищете, найти это становится намного проще.
Существует еще одна многообещающая идея о том, что собой представляет темная материя, которая возникает из другого предложения по улучшению уравнений физики. Как мы уже говорили, КХД в глубоком и буквальном смысле является воплощением симметрии. Существует почти идеальное соответствие между наблюдаемыми свойствами кварков и глюонов и наиболее общими свойствами, допускаемыми цветовой калибровочной симметрией, в рамках специальной теории относительности и квантовой механики. Единственное исключение состоит в том, что установленные симметрии КХД не могут запретить поведение, которое не наблюдается. Установленные симметрии допускают некоторое взаимодействие между глюонами, нарушающее инвариантность уравнений КХД при изменении направления времени. Эксперименты серьезно ограничивают возможную силу этого взаимодействия. Эти пределы являются намного более жесткими по сравнению с тем, что можно было бы ожидать при случайном возникновении.
Центральная теория не объясняет это «совпадение». Роберто Печчеи и Хелен Куинн нашли способ расширить уравнения, который мог бы его объяснить. Стивен Вайнберг и я независимо друг от друга показали, что расширенные уравнения предсказывают существование новых, очень легких, очень слабо взаимодействующих частиц, называемых аксионами. Аксионы также являются серьезными кандидатами на то, чтобы считаться ответственными за происхождение космологической темной материи. В принципе, их можно наблюдать различными способами. Хотя ни один из них не является легким, поэтому охота продолжается.
Возможно также, что обе идеи правильны и оба вида частиц вносят вклад в общее количество темной материи. Было бы здорово, не правда ли?
Один ботинок упал, ждем других
Объединение сил Центральной теории создает большую симметрию, а большая симметрия создает дополнительные силы. Мы постулируем второй, более жесткий слой космической сверхпроводимости, чтобы объяснить, как подавляются дополнительные силы, которые мы не наблюдали[59]. Однако мы не хотим подавлять их полностью. В масштабах объединения — на высоких уровнях энергии, или, что то же самое, на коротких расстояниях — и за их пределами эти новые взаимодействия объединены с компонентами Центральной теории и обладают такой же силой.
Квантовые флуктуации — виртуальные частицы, которые достигают этих необыкновенных уровней энергии, крайне редки, но они действительно происходят. Соответственно, эффекты, которые эти флуктуации катализируют, согласно предсказаниям, должны быть очень маленькими, но не нулевыми. Два из этих эффектов настолько необычны и неожиданны, что они считаются классическими признаками физики объединения.
• Нейтрино должны приобретать массу.
• Протоны должны распадаться.
Мы слышали, как упал первый ботинок. Как говорилось ранее, нейтрино действительно имеют очень малые, но ненулевые массы. Наблюдаемые значения этих масс в целом соответствуют ожиданиям от объединения.
Мы ждем падения другого ботинка. Глубоко под землей гигантские фотоприемники наблюдают за огромными чанами с охлажденной водой в поисках вспышек, которые будут сигнализировать о смерти протонов. Согласно нашим оценкам скорости распада протонов, это открытие не за горами. Если так, то оно откроет еще один путь к физике объединения, возможно, самый прямой и мощный. Ибо протоны могут распадаться многими способами, а скорости для различных возможностей непосредственно отражают новые взаимодействия, возникающие в результате объединения.
Объединение взаимодействий Центральной теории — сильного, слабого и электромагнитного — в единую унифицированную теорию предполагает некоторые догадки, однако его принципы ясны. Квантовая механика, специальная теория относительности и (локальная) симметрия прекрасно сочетаются друг с другом. Как мы видели, используя их, мы можем сделать определенные предложения для экспериментального исследования, включая количественные оценки прогнозируемых эффектов.
Мы также видели, что объединение с гравитацией хорошо работает и на уровне сравнения их фундаментальной силы. Однако наши представления о единой теории отнюдь не являются конкретными. Идеи относительно теории суперструн кажутся многообещающими, однако никому еще не удалось достаточно их разработать, чтобы конкретно указать на то, каких новых эффектов следует ожидать. Какие ботинки упадут при объединении с гравитацией? Можем ли мы надеяться на то, что услышим звук их падения? Это тоже вопрос на будущее.