Теоретики предсказывают существование новых частиц и явлений, которые должны обнаруживаться при энергиях порядка 1 ТэВ и выше. Но пока физики
лишены возможности сравнить прогноз с опытом.
Перечислим кратко те задачи, которые ждут своего решения.
1. В области высоких энергий — их, по-видимому, достигнут в ближайшие годы на строящемся в ЦЕРНе ускорителе LHC — первое место
занимает поиск хиггсовского бозона. Открытие хиггса Н° поставит точку в экспериментальном подтверждении
Стандартной модели. Не исключено, что после этого существенных открытий ещё долго не
будет (иначе говоря, современные теории окажутся верными и начиная с 104 ГэВ физика вступит в асимптотическую пустыню, где не происходит ничего
интересного вплоть до заведомо недостижимых энергий 1015 ГэВ).
2. Есть ряд теоретических идей, для проверки которых нужны новые ускорители с энергией порядка 1 ТэВ. В первую очередь это относится
к суперсимметричным теориям. Они основаны на открытии преобразований, переводящих фермионы в бозоны и наоборот. Прежде считалось, что подобное
невозможно: ведь фермионы подчиняются принципу запрета Паули, а бозоны — нет. Однако была найдена суперсимметрия, объемлющая и фермионы, и бозоны, — другими
словами, частицы с разными спинами входят в одно семейство с некоторым значением суперспина. Как всегда, с появлением новой, более широкой симметрии ожидается
открытие ранее неизвестных частиц. Если идея суперсимметрии верна, то каждой частице должен соответствовать суперпартнёр — частица со спином, отличающимся на
½. Например, суперпартнёр фотона — фотино со спином ½, суперпартнёр гравитона — гравитино (спин гравитино равен 3/2, таким образом заполнится
последняя ступенька на лестнице спинов) и т.п.
Наконец, существуют и теории, согласно которым кварки, лептоны и другие фундаментальные частицы сами являются составными.
Следовательно, нужно искать предсказываемые этими теориями более фундаментальные частицы (их называют по-разному: преоны, ришоны, гаплоны и пр.).
3. Предпринимаются попытки как-то расширить Стандартную модель. Принципиальная возможность построения подобной теории
связана с поведением констант взаимодействий при изменении энергий. В квантовой хромодинамике константа взаимодействия велика при низких энергиях и уменьшается
с ростом энергии (явление асимптотической свободы). Наоборот, общая константа электрослабого взаимодействия в этом случае увеличивается. Таким образом, при
некотором значении энергии константы электрослабого и сильного взаимодействий будут одинаковыми, т.е. взаимодействия становятся неотличимыми друг от друга —
наступает Великое объединение взаимодействий. Только вот слияние констант и объединение взаимодействий должны происходить при энергиях порядка
1027 эВ (1015 ГэВ).
Максимально достижимая с помощью земных ускорителей энергия на 12 порядков меньше энергии объединения электрослабого и сильного
взаимодействий и на 16 порядков меньше энергии полного объединения всех взаимодействий.
Ясно, что на Земле никогда не будет построен ускоритель, который смог бы разогнать протоны до энергии 1015 ГэВ. Подсчитано, что радиус такого ускорителя должен равняться нескольким световым годам (десяткам триллионов километров)!
Можно ли считать БАК очередным важным шагом к полному пониманию природы Вселенной или мы, подобно
Икару, подлетаем слишком близко к Солнцу? Ждёт ли нас возмездие за дерзкую жажду к знаниям?
VII. Удовлетворятся ли физики достигнутым, обнаружив частицу Хиггса?
Пока что мы достаточно твёрдо знаем, что мы ожидаем получить в БАК. Подавляющее большинство физиков несказанно удивятся, если частица Хиггса не
будет обнаружена. Нам достоверно известно, что БАК не устроит нам конец света, а стандартная модель — не венец научной мысли. Почувствуйте привкус грядущего.
Теория струн
Неважно, кто вы — «крепкий орешек» от физики или всего лишь любитель, который краем уха прислушивается к новостям с передовой науки,—
наверняка вы что-то слышали о так называемой теории струн. Теория струн разработана для того, чтобы объяснить несколько загадочных явлений, о которых мы
до сих пор намеренно не упоминали. Дело в том, что сила тяжести радикально
отличается от остальных трёх фундаментальных сил во Вселенной.
Сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия требуют частицу-переносчик, и в каждом случае мы экспериментально обнаружили эти
частицы. Однако теория гравитации — общая теория относительности — не просто не нуждается в гравитоне: до сих
пор учёные никакого гравитона не обнаружили. Более того, странно, что теория, стоящая за материальными частицами (кварками, электронами и так далее), так
сильно отличается от теории переносчиков взаимодействия (фотонов, глюонов и им подобных). Нам было бы очень приятно, если бы нашлась теория унификации, в идеале — «Теория Всего»
Теория струн, несмотря на свою незавершенность,— главный претендент на роль ТВ, а её центральный нападающий, как вы, наверное, уже
поняли,— так называемая струна. Представьте себе струну как резинку — только очень тоненькую, диаметром в 10-35 метров. И что же
это за струны? Вообще говоря, они составляют всё сущее.
Вы должны понимать, что
стандартная модель полагает, будто все частицы, о которых мы говорили,— кварки, электроны, фотоны и так далее — бесконечно малы. Это точки в буквальном
смысле слова. Стандартная модель не объясняет, почему у одной частицы одна масса и заряд (и прочие свойства), а у другой — другие. Теория струн говорит, что
единственная причина, по которой частицы выглядят как точки,— то, что мы к ним недостаточно пристально присматриваемся. На самом деле «точечные частицы» — это
крошечные петли, которые постоянно вибрируют. Если вам это что-то смутно напоминает, так и надо. Именно это мы наблюдали в квантовой механике, когда
видели, что все что угодно — фотоны, электроны, вакуумные поля — постоянно осциллирует, колеблется туда-сюда.
Чем сильнее струна вибрирует, тем она массивнее — не забывайте, что равенство Е = mc² справедливо в обе стороны.
Другие свойства осцилляции определяют все остальные свойства и качества частицы. Чтобы объяснить все свойства частиц, которые мы наблюдаем, предполагается, что
струны вибрируют не только в тех трех измерениях, о которых нам известно в нормальной жизни. Это не значит, что струны не существуют,— это значит, что нам
нужно больше измерений.
Поймите нас правильно. Мы не можем переместиться в более высокие измерения. Для начала нас там сплющит. Многие, если не все,
дополнительные пространственные измерения очень малы — гораздо меньше, чем мы сможем обнаружить в БАК.
Привести теорию струн в соответствие с законами физики в нашей Вселенной, опираясь только на три измерения, никак не удается. Теории возникали
одна за другой, количество потенциальных измерений росло и росло, и наконец в 1995 году Эдвард Уиттен из Института передовых исследований в Принстоне
предложил нынешнего фаворита. По его версии, так называемой М-теории, мы живем в здоровенной вселенной аж с десятью измерениями.
Теория струн во многих отношениях очень многообещающа. Она предоставляет нам основу для объединения в единую теорию всех четырех
фундаментальных сил. Она описывает силы и частицы с разных сторон одной и той же физики. Не исключено, что она даже позволит разобраться в природе пространства и зарождении Вселенной.
С другой стороны, возникают и осложнения. Во-первых, проверить теорию струн очень трудно. Поскольку масштабы так малы, у нас практически нет
надежды доказать теорию струн при помощи БАК или других экспериментов, которые мы будем способны поставить в обозримом будущем. Ещё одна трудность — теория
струн отвечает не на все вопросы теории частиц, оставшиеся пока без ответа.
Петлевая квантовая теория гравитации
В стандартной модели есть ещё один большой провал, который теория струн даже не пытается заполнить. Как примирить две великие теории XX
века — квантовую механику и общую теорию относительности, нашу теорию гравитации? Эти теории говорят нам «правду» о том, что происходит на
микроскопическом уровне и на уровне очень сильной гравитации соответственно. Но что происходит в обстановке вроде
черной дыры или на заре времён, когда, как полагают, играть роль может и то и другое?
Задумайтесь об этом. Практически все аспекты физики порабощены неопределенностью — это и фотонная энергия вакуума, и движение электронов, и
пути фотонов. Квантовая механика вплетена в три негравитационные силы. Сходство между ними послужило причиной того, что электромагнитное и слабое взаимодействия
посчитали единым электрослабым взаимодействием. Ещё оно стало причиной того, что физики выдвинули целый ряд соперничающих между собой «Великих единых
теорий», где электрослабое взаимодействие объединяется с сильным. Гравитация стоит особняком. Как ни странно, общая теория относительности не носит ни следа
случайности, которая проявляется в остальных трех силах. Нам бы очень хотелось получить в своё распоряжение «теорию квантовой гравитации».
Один из самых увлекательных и многообещающих подходов к этой проблеме называется «петлевая квантовая теория
гравитации». Одна из самых странных черт этой теории — что пространство само по себе квантуется. То есть если рассмотреть его на достаточно
мелких масштабах, окажется, что оно не гладкое и однородное, а разбито на этакие пиксели. Обычно мы ничего такого не замечаем, поскольку масштабы, о которых мы
говорим,— около 10-35 метра, так называемая
планковская длина. Планковская длина настолько же меньше атома, насколько атом меньше расстояния до ближайшей звезды. Сильнее дробить пространство невозможно.
Одна из симпатичных черт петлевой теории квантовой гравитации — то, что она требует не больше трех привычных нам измерений плюс ещё одно,
время. Кроме того, она естественно подводит нас к гравитону, отчего картина физики частиц становится куда более однородной. С другой стороны, петлевая
теория квантовой гравитации сама по себе не может служить Теорией Всего. Остальные законы сил нужно вводить в неё вручную — как и кварки, и прочие
фундаментальные материальные частицы.
Вся эта физика вне пределов стандартной модели, вероятно, кажется вам примитивной уловкой, поводом найти себе занятие ещё долго после
того, как в БАК столкнутся последние частицы. Да, именно так. Но неужели вы всерьёз полагаете, будто проблемы можно решать насильственным путем? Хотите или
нет, но для того, чтобы раскрыть все тайны Вселенной, мало нескольких высокоэнергичных взрывов.