Предисловие автора сайта. Данная статья академика Лескова Л.В., являясь популярной, в то же время требует от читателя наличия фундаментальных познаний в области физики элементарных частиц. Поэтому при изучении материала я рекомендую обращаться к разделу "Физика микромира" нашего сайта по ссылкам из текста.

Владимир Каланов.

Симметрия

Симметрия (по-гречески соразмерность) — фундаментальная черта законов физики. Если эти законы не меняются при изменении начальных условий или при определенных преобразованиях, то говорят, что они обладают свойством симметрии, или иначе свойством инвариантности, относительно этих преобразований. Например, перенос материальной системы как целого не приводит к изменению физических законов, которым она подчиняется. Свойство инвариантности тесно связано с симметрией: инвариантность — это неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям.

Для современной физики понятия симметрии и инвариантности являются узловы́ми. С помощью понятия симметрии удаётся разобраться в сложной мозаике физических явлений и свести всё многообразие физического мира к сравнительно небольшому количеству формальных теоретических соотношений.

Опыт показывает, что в природе существует большое количество преобразований, относительно которых физические законы остаются инвариантными. Не приводят к изменениям ни поворот системы, ни сдвиг во времени, ни переход к другой системе отсчета, которая движется относительно первой с постоянной скоростью. Сохраняется симметрия законов природы при замене частиц античастицами, при перестановке одинаковых частиц и т.д.

В физике Аристотеля не было принципа инвариантности относительно движения, т.к., согласно взглядам Аристотеля, все тела́ сохраняют состояние покоя, пока на них не действует внешняя сила. Этот принцип был четко сформулирован только Ньютоном, в соответствии с первым законом механики которого все материальные тела в отсутствие внешней силы сохраняют свою скорость либо находятся в состоянии покоя.

Симметрия физических законов

В 1918 г. немецкий математик Эмма Нётлер доказала фундаментальную теорему, которая устанавливает связь между свойствами симметрии физической системы и законами сохранения. Из этой теоремы следует, что каждому преобразованию симметрии, которое характеризуется одним непрерывно изменяющимся параметром, соответствует величина, сохраняющая постоянство со временем. Например, из симметрии физических законов относительно сдвига изолированной системы в пространстве и во времени, а также ее поворота как целого следуют три фундаментальных закона сохранения — импульса, кинетической энергии и момента количества движения. Очевидно, это свойство симметрии физических законов само является следствием принятых в классической механике Ньютона принципов однородности и изотропности абсолютного пространства и равномерного хода абсолютного времени.

Свойство симметрии проявляется в строении твёрдых тел. Симметрия кристаллов — это их свойство совмещаться с самими собой при поворотах, отражениях и параллельных переносах. Это свойство кристаллов объясняется симметрией их атомной структуры.

В физике адронов — протонов, нейтронов и других частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, — фундаментальную роль играет цветовая симметрия. Источниками сильных взаимодействий являются цветовые заряды, а их переносчиками служат глюоны. Существенную роль симметрия играет также и в квантовой электродинамике Дирака — теории электромагнитного взаимодействия электронов и позитронов. Особый тип симметрии, вводимый в этой теории, — калибровочная симметрия — обуславливает тот хорошо известный факт, что масса фотона равна нулю.

Суперсимметрия

Известен класс симметрии более высокого ранга — так называемая суперсимметрия, которая означает инвариантность к преобразованию, изменяющему спин частицы. Суперсимметрия рассматривает ситуацию, когда каждой частице соответствует суперпартнер, отличающийся от неё величиной спина. Составим таблицу, в первом столбце которой будут указаны известные частицы с их спинами, а в правом — их суперпартнеры с изменившимися спинами:

Из этой таблицы видно, что каждый фермион (частица с дробным значением спина) в качестве суперпартнера имеет бозон (нулевой или целочисленный спин). И наоборот, у каждого известного бозона имеется теоретически мыслимый суперпартнер — обязательно фермион.

Принцип суперсимметрии логически безупречен: мы не знаем фундаментальной причины, которая запрещала бы существование суперпартнеров. И следовательно, природа должна быть полностью симметричной, она не может предоставлять никаких особых привилегий ни фермионам, ни бозо́нам.

Строительными материалами, из которых построен наш мир вещества, являются фермионы — протоны, нейтроны и электроны. А цементом, который скрепляет эти «кирпичики», служат бозо́ны — глюоны, гравитоны, фотоны, фитоны и др. подобные им частицы. Принцип суперсимметрии требует, чтобы кроме нашего фермион-бозонного мира, существовал и альтернативный ему бозо́н-фермионный супермир. В отличие от нашего роль строительных «кирпичиков» отдана в нём бозо́нам — супер-протонам, супер-нейтронам и супер-лептонам, — а роль цемента досталась глюи́но, гравити́но, фоти́но, фити́но и др.

Есть ли у нас возможность прояснить физические свойства этого супермира? В некоторой степени да. Как, например, понимать, что такое фотино — суперпартнер фотона? Если поток фотонов мы воспринимаем как свет, то поток фотино можно назвать суперсветом. Только у нас нет датчиков, способных воспринимать суперсвет.

Суперпартнер фитона — фитино, — подобно ему обладает нулевыми значениями массы, заряда и спина. Но это не означает, что эти виртуальные частицы идентичны: при сильном возбуждении фитона возникают электрон, позитрон и пары гамма квантов, а при возбуждении фитино — их соответствующие суперпартнеры (включая пару жестких фотино). Объясняется это тем, что, утратив отличные от нуля значения основных квантовых чисел, эти виртуальные частицы продолжают сохранять собственную внутреннюю структуру.

Здесь однако возникает трудность: мы не знаем механизма возникновения фитино — по мнению некоторых теоретиков, суперпартнеры электрона и позитрона электрически нейтральны.

Загадка происхождения массы

Одна из загадок физики микромира — это происхождение массы у первоначально безмассовых частиц, возникших в процессе Большого Взрыва. Один из возможных ответов на этот вопрос даёт так называемое спонтанное нарушение симметрии. Это явление называется механизмом Хиггса по имени физика, который его предложил. Этот эффект иногда называют физикой мнимых масс. Механизм этого эффекта постулирует существование нейтральных бесспиновых частиц Н-бозонов (или просто «хиггсов»), которые непосредственно участвуют в появлении массы у элементарных частиц. Хиггс — тяжёлая частица, его масса лежит в диапазоне 78-200 ГэВ. Обнаружить его в экспериментах на ускорителях высоких энергий пока не удалось.

Появление массы у бозонов, образующих строительный материал супермира, должно объясняться тем же самым механизмом Хиггса. А роль переносчика соответствующих взаимодействий в этом случае передается суперпартнёру хиггса — хиггсино, обладающему спином 1/2. Если принцип суперсимметрии соблюдается точно, то все суперпартнеры должны иметь одинаковую массу.

Нарушение суперсимметрии

Однако до сих пор в экспериментах не обнаружено ни одного суперпартнёра. На этом основании теоретики считают, что это может свидетельствовать о нарушении суперсимметрии. Если это верно, то масштаб этого нарушения будет определять массу суперчастиц. Но быть может причина того, что признаки существования супермира пока не обнаружены, в другом: либо мы толком не знаем, где его искать, либо современная измерительная техника не рассчитана на детектирование суперпартнёров.

Обращаясь к торсионной физике, вспомним, что фито́н имеет равные нулю значения массы, заряда и спина. Поскольку нейтрино также имеет скорее всего нулевую массу и заряд, равный нулю, то квантовые характеристики его суперпартнёра — супер-нейтрино — должны совпадать с характеристиками фитона. Если признать идентичность этих двух виртуальных частиц, то можно утверждать, что по крайней мере один тип суперчастиц — снейтрино — существует реально.

Ещё одна проблема супермира — это соотношение между фундаментальными взаимодействиями его суперпартнёров. Сказать об этом что-нибудь определённое пока трудно. Для поиска супермира важно было бы знать характеристики гравитино-переносчика гравитационных взаимодействий между суперпартнёрами. От его величины зависит, могут ли в супермире возникать компактифицированные объекты типа наших звёзд и галактик либо для него более характерны крупномасштабные диффузные образования.

Если супермир существует, то возникает ещё один вопрос — о специфических свойствах связанного с ним пространства — времени. Этим вопросом заинтересовался профессор А. Дзикики, много лет возглавлявший Европейский Союз физиков и получивший известность своими исследованиями элементарных частиц. Свойства пространства-времени нашего мира, указывает он, являются бозонными. Причина нашей способности перемещаться вперед и назад в пространстве, по его мнению, лежит в бозонной природе наших измерений. А во времени мы можем перемещаться только вперед. Причина, считает Дзикики, неизвестна. Почему же неизвестна, можем мы возразить ему. Существует два барьера, запрещающих стреле времени изменить своё направление на противоположное: первый из них — это второе начало термодинамики, а второй — нелинейные свойства нашего мира, исследованные И. Пригожиным.

А как обстоит дело с фермионным пространством-временем нашего гипотетического супермира? Может ли такое существовать? Может, отвечает Дзикики. Оно называется суперпространством. В этом суперпространстве так же, как и у нас, можно перемещаться из одной точки в другую. Но вернуться в неё можно будет уже в другой момент времени.

И последний вопрос: если мы видим звёзды, то почему не видим суперзвезд? Поток фотино — суперсвет — регистрировать мы не умеем, но ведь есть гравитация. Звёзды — это пепел мира (протоны и нейтроны). Протоны и электроны имеют электрический заряд и благодаря этому на нашем небе горят яркие звёзды.

Пепел супермира — супер-протоны, супер-нейтроны и супер-электроны. Электрического заряда у них нет, а потому они не могут запускать процессы типа термоядерного синтеза. Несмотря на все эти проблемы, считает Дзикики, супермир — точнее, его пепел, оставшийся после Большого Взрыва, — может существовать где-нибудь во Вселенной.