Сильное взаимодействие может быть перенормировано само по себе в теории, названной QCD или квантовая хромодинамика. Согласно QCD, протон, нейтрон, и многие другие элементарные частицы материи образованы из кварков, у которых есть замечательное свойство, которое физики называют цветом (отсюда и термин «хромодинамика», хотя цвета кварка — лишь полезные обозначения — нет никакой связи с видимым цветом). Кварки получаются трех так называемых цветов, красные, зеленые и синие. Кроме того, у каждого кварка есть партнер-античастица, и цвета этих частиц называют антикрасным, антизеленым и антисиним. Идея в том, что только комбинации, а не чистые цвета, могут существовать в виде свободных частиц. Существует два способа достигнуть таких комбинаций кварков смешанного цвета. Цвет и его антицвет сокращают, таким образом, кварк и антикварк формируют бесцветную пару, нестабильную частицу, названную мезоном. Кроме того, когда все три цвета (или антицвета) смешиваются, в результате не получается чистого цвета. Три кварка, по одному каждого цвета, образуют стабильные частицы, названные барионами[12], примеры которых — протоны и нейтроны (а три антикварка образуют античастицы барионов). Протоны и нейтроны являются барионами, которые составляют ядра атомов и служат основой всей нормальной материи во Вселенной.
У QCD также есть свойство, названное асимптотической свободой[13], которое мы упомянули, не называя, в Главе 3. Асимптотическая свобода означает, что сильные взаимодействия между кварками малы, когда кварки находятся близко друг от друга, но увеличиваются, если они удаляются, почти как если бы к ним присоединили резинки. Асимптотическая свобода объясняет, почему мы не видим отдельных кварков в природе и были неспособны создать их в лаборатории. Однако даже при том, что мы не можем наблюдать отдельных кварков, мы принимаем модель, потому что она очень хорошо работает при объяснении поведения протонов, нейтронов и других частиц материи.
После объединения слабых и электромагнитных взаимодействий в 1970-х физики искали способ ввести сильное взаимодействие в эту теорию. Существует множество так называемых великих объединенных теорий или GUТов, которые объединяют сильные взаимодействия со слабыми и с электромагнетизмом, но они главным образом предсказывают, что протоны, вещество, из которого мы сделаны, должны распадаться в среднем приблизительно через 1032 лет. Это очень продолжительное время жизни, учитывая, что Вселенной лишь около 1010 лет. Но в квантовой физике, когда мы говорим что среднее время жизни частицы 1032 лет, мы не подразумеваем, что большинство частиц живут приблизительно 1032 лет, некоторые немного больше, а некоторые немного меньше. Вместо этого мы подразумеваем, что каждый год у частицы есть 1 из 1032 шансов распасться. В результате, если Вы следите за резервуаром, содержащим 1032 протонов, в течение всего лишь нескольких лет, Вы должны наблюдать несколько протонных распадов. Не слишком трудно построить такой резервуар, поскольку 1032 протонов содержится всего лишь в тысяче тонн воды. Ученые провели такие эксперименты. Оказывается, обнаружение распадов и дифференциация их от других событий, вызванных космическими лучами, которые непрерывно льются на нас из космоса, является не столь простым делом. Чтобы минимизировать шум, эксперименты проводились в местах глубоко под Землей, таких как шахта компаний Kamioka Mining и Smelting в Японии глубиной 3281 фута, в некоторой степени защищенная от космических лучей. В результате наблюдений в 2009 году исследователи заключили, что если протонный распад вообще существует, время жизни протона больше, чем 1034 лет, что является плохой новостью для великих объединительных теорий.
Так как ранее наблюдаемое свидетельство также было не способно поддержать GUTbi, большинство физиков приняло специальную теорию, названную стандартной моделью, которая включает объединительную теорию электрослабых взаимодействий и QCD как теорию сильных взаимодействий. Но в стандартной модели электрослабые и сильные взаимодействия действуют отдельно и на самом деле не объединены. Стандартная модель очень эффективна и согласуется со всеми наблюдамыми на сегодняшний день свидетельствами, но она, в конечном счете, неудовлетворительна, потому что кроме того, что она не объединяет электрослабые и сильные взаимодействия, она не включает гравитацию.
Может оказаться трудным объединить сильные взаимодействия с электромагнитными и слабыми взаимодействиями, но эти проблемы — ничто по сравнению с проблемой слияния гравитации с тремя другими или даже создания отдельной квантовой теории гравитации. Причина, по которой оказалось настолько трудным создать квантовую теорию гравитации, имеет отношение к принципу неопределенности Гейзенберга, который мы обсуждали в Главе 4. Это не очевидно, но оказывается, что с учетом этого принципа величина поля и скорость его изменения играют такую же роль, как положение и скорость частицы. Таким образом, чем точнее определено одно, тем менее точно может быть определено другое. Важное следствие этого в том, что нет такой вещи как пустота. Это потому что пустота означает, что и величина поля и скорость его изменения строго нулевые. (Если бы скорость изменения поля была не нулевой, то место не оставалось бы пустым). Так как принцип неопределенности не позволяет величине поля и скорости изменения быть точными, космос вовсе не пуст. У него может быть состояние минимума энергии, названное вакуумом, но это состояние подвержено так называемому квантовому дрожанию или флуктуациям вакуума — частицы и поля дрожат туда-сюда относительно существования.
Можно представить флуктуации вакуума как пару частиц, которые одновременно появляются в какой-то момент, расходятся, а затем объединяются и аннигилируют друг друга. Выраженные диаграммами Фейнмана, они представляют собой замкнутые контуры. Эти частицы называют виртуальными частицами. В отличие от реальных, виртуальные частицы не могут наблюдаться непосредственно детектором частиц. Однако их косвенные эффекты, такие как небольшие изменения энергии электронных орбит, могут быть измерены и согласуются с теоретическими предсказаниями до замечательной степени точности. Проблема состоит в том, что виртуальные частицы имеют энергию, и поскольку существует бесконечное число виртуальных пар, у них было бы бесконечное количество энергии. Согласно общей относительности, это означает, что они искривили бы Вселенную к бесконечно малый размер, чего очевидно не происходит!
Это проклятие бесконечности похоже на проблему, которая возникает в теориях сильных, слабых, и электромагнитных взаимодействий, кроме тех случаев, когда перенормировка устраняет бесконечности. Но замкнутые контуры в диаграммах Фейнмана для гравитации создают бесконечности, которые не могут быть сокращены перенормировкой, потому что в общей относительности недостаточно перенормируемых параметров (таких как величина массы и заряда), чтобы устранить все квантовые бесконечности из теории. Мы поэтому остаемся с теорией гравитации, предсказывающей, что определенные величины, такие как искривление пространства-времени, бесконечны, что не служит хорошим путем, ведущим к пригодной для жизни Вселенной. Это означает, что единственная возможность получения разумной теории было бы как-нибудь сократить все бесконечности, не прибегая к перенормировке.
В 1976 году возможное решение этой проблемы было найдено. Его называют супергравитацией. Приставка «супер» добавлялась не потому, что физики думали, что было «супер», что эта теория квантовой гравитации могла на самом деле работать. Вместо этого «супер» имеет в виду своего рода симметрию, которой обладает теория, названную суперсимметрией.
В физике система, как говорят, обладает симметрией, если ее свойства не зависят от определенных преобразований, таких как вращение ее в пространстве или получение ее зеркального отображения. Например, если Вы переворачиваете пончик, он выглядит в точности одинаково (если он без шоколадной посыпки, в этом случае лучше его просто съесть). Суперсимметрия — более тонкий вид симметрии, которая не может быть связана с преобразованием обычного пространства. Одно из важных значений суперсимметрии — что частицы силы и частицы материи, а следовательно сила и материя, действительно лишь два аспекта одного и того же явления. В сущности, это означает, что у каждой частицы материи, такой как кварк, должна быть частица-партнер, являющаяся частицей силы, и у каждой частицы силы, такой как фотон, должна быть частица-партнер, являющаяся частицей материи. У этой теории есть потенциал, чтобы решить проблему бесконечностей, потому что оказывается, что бесконечности от замкнутых контуров частиц силы положительны, в то время как бесконечности от замкнутых контуров частиц материи отрицательны, таким образом, бесконечности в этой теории, обусловленные частицами силы и их партнерами, частицами материи, имеют свойство сокращаться. К сожалению, вычисления, необходимые чтобы узнать, были ли бы какие-нибудь бесконечности, оставшиеся несокращенными в супергравитации, были такими длинными и сложными, и имели такой потенциал для ошибки, что никто не был готов за них браться. Большинство физиков, тем не менее, полагало, что супергравитация была, вероятно, правильным ответом на проблему объединения гравитации с другими силами.
Вы могли бы подумать, что справедливость суперсимметрии будет легко проверить — просто исследуйте свойства существующих частиц и увидите, разделяются ли они на пары. Никакие такие частицы-партнеры не наблюдались. Но различные вычисления, которые выполнили физики, указывают, что частицы-партнеры, соответствующие частицам, которые мы наблюдаем, должны быть в тысячу раз более массивными, чем протон, если не еще более тяжелыми. Они слишком тяжелые для таких частиц, чтобы быть замеченными в любых экспериментах, проводившихся до настоящего времени, но есть надежда, что такие частицы будут, в конечном счете, созданы в Большом Адронном Коллайдере в Женеве.