Представьте себе электрон, фотон или любую другую частицу, которая набрала один за другим множество таких «беспроцентных кредитов». В результате расчет даже простого квантового процесса (например, пролет электрона слева направо) становится чрезвычайно сложным. По словам физика Ричарда Фейнмана (1918–1988), мы должны «суммировать все возможные истории», принимая в расчет бесконечное разнообразие способов возникновения виртуальных частиц (рис. 8.1).
Квантовая электродинамика
Иногда при таком суммировании получается конечный результат: теория делает предсказание, которое может быть проверено. Например, квантовая электродинамика хорошо описывает движение электрона. Но в ряде случаев сумма резко возрастает, и вы уходите в бесконечность. История применения квантовой теории к силам природы есть история о том, как приходится бороться с этими непокорными бесконечностями.
Один из примеров такой борьбы – анализ бета-распада, когда нейтрон спонтанно испускает электрон и нейтрино, превращаясь в протон. Квантовая теория бета-распада заводила физиков в тупик бесконечностей, пока они не разработали «электрослабую» теорию, которая объединила электромагнитные и слабые ядерные взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия обуздала математический аппарат, добавив гипотетические массивные частицы, такие как W-бозоны, Z-бозоны и бозоны Хиггса. С их помощью удалось справиться с бесконечностями. Фортуна благоприятствовала смелой догадке: W– и Z-бозоны были открыты в ЦЕРНе в 1983 году, а бозоны Хиггса – в 2012 году. Этот успех вдохновил многих физиков, и они поверили в то, что такая стратегия является чуть ли не универсальным рецептом при разработке квантовых теорий: если ваша модель приводит к бесконечностям, просто добавьте новые частицы, и задача будет решена.
Предположим теперь, что так же как свет состоит из фотонов, гравитация есть совокупность квантовых частиц, называемых гравитонами. В соответствии с принципом неопределенности гравитоны заимствуют энергию для создания других, виртуальных гравитонов, и когда мы начинаем суммировать все возможные истории, наши вычисления быстро, как и ожидалось, закручиваются по спирали, уводя нас в хаос бесконечностей. Но если мы попытаемся покорить бесконечности, добавляя новые частицы, то ничего не получится, потому что потребуется ввести частицу с массой, равной 10 миллиардам миллиардов массы протона. Как обычно, чем больше энергии одалживаешь, тем быстрее ее приходится отдавать, т. е. такие частицы живут очень недолго. Значит, далеко им не уйти, и они будут тесниться в крошечном объеме пространства.
Но общая теория относительности говорит, что масса искривляет пространство-время. Сконцентрируйте достаточно большую массу в малом объеме, и перед вами возникнет черная дыра. Именно такой облик принимает наша новая частица: микроскопическая черная дыра, содержащая сингулярность с бесконечной плотностью и бесконечной кривизной в пространстве-времени. Природа играет с нами злую шутку: стремление избавиться от одной бесконечности создает другую.
Попытки обойти это препятствие привели нас к созданию теории струн, в которой предполагается, что все частицы являются воплощением более фундаментальных структур, а именно, колеблющихся струн. Когда мы начинаем суммировать все возможные истории таких «распушенных» объектов, неприятные бесконечности, рожденные виртуальными частицами, исчезают как по волшебству (см. «Теория всего и теория струн» ниже). Другая идея – петлевая квантовая гравитация, которая предлагает разрубить пространство-время на дискретные блоки. Такая разбивка предполагает ограничение верхнего лимита энергии, которую может одалживать частица, и вычисления вновь приобретают конечный характер.
Эти две кандидатуры на роль всеобщей теории во многих отношениях представляют собой наиболее консервативные продолжения существующих моделей: обе пытаются сохранить, насколько это возможно, теоретические основы квантовой механики и общей теории относительности. А как насчет более эзотерических идей, изменяющих существующие правила игры? Например, если снова разъединить пространство-время и рассматривать их отдельно, как это было раньше, то это создаст пространство для маневра (см. «Гравитация Хоравы» далее в этой главе). Можем ли мы достичь прогресса, отказавшись от краеугольного камня общей теории относительности – принципа эквивалентности? (См. «По-разному одинаковые» далее в этой главе.) Или мы должны более кардинально поменять наши взгляды и попытаться объяснить природу реальности с помощью отвлеченных чисел?
И теория относительности, и квантовая механика так хорошо согласуются с реальностью, каждая в своей области, что очень трудно придумать что-нибудь лучше. Но мало кто из физиков задумывается о еще более радикальной возможности, а именно, что квантовая механика и общая теория относительности не могут быть объединены, и реальность не имеет единого, согласованного и логического обоснования.
Теория всего и теория струн
Всеобъемлющая физическая теория, которая объединит квантовую механику и общую теорию относительности, сможет описать все на свете, начиная от Большого взрыва и заканчивая элементарными частицами. Так есть ли у нас сейчас ведущий кандидат на роль этой теории всего?
В конце XIX столетия атомы считались самыми маленькими «строительными кирпичиками» материи. Затем была открыта их структура: ядро, состоящее из протонов и нейтронов, и электроны, снующие вокруг ядра. В 1960-е годы атом был разделен еще дальше. Так, сначала теоретически, а затем и экспериментально было определено, что протоны и нейтроны состоят из еще более маленьких частиц, названных кварками. Означают ли эти структурные слои, что деление бесконечно? Все теоретические и экспериментальные свидетельства, собранные до сих пор, говорят, что это не так и что кварки лежат на самом дне мироздания. Сейчас мы полагаем, что кварки – это фундаментальные строительные блоки материи, также как и семейство частиц, называемых лептонами, к которым относится электрон (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Стандартная модель: наши современные представления о строительных кирпичиках, из которых состоит материя, и о силах, связывающих их между собой
Кварки и лептоны, входящие в состав вещества, довольно сильно отличаются от бозонов, являющихся переносчиками взаимодействий в природе. Поэтому для всех оказалось большим сюрпризом открытие, сделанное теоретиками в 1970-е годы. Было показано, что можно вывести уравнения, которые не будут изменяться, если одни частицы заменить другими. Это предполагает существование в природе нового типа симметрии. Точно так же, как в силу своей симметрии внешний вид снежинки не изменяется, как бы мы ее не переворачивали, неизменный вид уравнений сводится к новой симметрии, называемой суперсимметрией. Одно из следствий этого заключается в том, что каждая частица в стандартной модели будет иметь своего суперсимметричного партнера. Но никто еще не нашел ни одного такого суперпартнера.
Суперсимметрия и супергравитация
