Далее, существуют частицы, из которых состоит материя Вселенной. Они обладают полуцелым спином, к ним относятся такие частицы, как электроны, нейтрино и кварки (со спином 1/2). Эти частицы называются фермионами (в честь Энрико Ферми), и из них можно построить остальные частицы атома – протоны и нейтроны. Так что атомы нашего тела представляют собой наборы фермионов.
Два типа субатомных частиц
Затем Бундзи Сакита и Жан-Лу Жерве продемонстрировали, что теория струн обладает новым типом симметрии, получившим название суперсимметрии. С той поры понятие суперсимметрии было расширено таким образом, что теперь это самая всеобъемлющая симметрия, которую когда-либо обнаруживали в физике. Мы уже подчеркивали, что красота для физика – это симметрия, которая позволяет нам найти связь между различными частицами. Суперсимметрия способна объединить все частицы Вселенной. Как уже говорилось, симметрия позволяет менять местами составные части объекта, сохраняя при этом первоначальный объект неизменным. В данном случае местами меняются частицы в уравнениях: фермионы встают на место бозонов и наоборот. То, что частицы всей Вселенной могут свободно меняться местами, превращаясь друг в друга, становится центральным свойством теории струн.
Это означает, что у каждой частицы есть суперпартнер, называемый с-частицей, или суперчастицей. Например, суперпартнера электрона называют сэлектроном. Суперпартнера кварка называют скварком. Суперпартнера лептона (такого, как электрон или нейтрино) называют слептоном.
Но в теории струн происходит нечто замечательное. При расчете квантовых поправок к теории струн мы имеем две составляющие. Есть квантовые поправки, исходящие от фермионов, а есть – исходящие от бозонов. Они чудесным образом одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Одно из слагаемых может быть положительным, но одновременно имеется и другое слагаемое – отрицательное. При сложении они компенсируют друг друга, оставляя конечный результат.
Физикам не удавалось создать союз теории относительности и квантовой теории почти столетие, но симметрия фермионов и бозонов, называемая суперсимметрией, позволяет взаимно скомпенсировать многие бесконечности. Вскоре физики открыли и другие способы устранения бесконечностей, оставляющие конечный результат. Именно в этом кроются истоки того ажиотажа, что окружает теорию струн: она способна объединить гравитацию и квантовую теорию. Ни одна другая теория не может претендовать на то же самое. Это, возможно, позволит снять и первоначальное возражение Дирака. Он ненавидел теорию перенормировки, потому что, несмотря на ее фантастические и неоспоримые успехи, в ней предлагалось складывать и вычитать бесконечные по размеру величины. Здесь же мы видим, что теория струн конечна сама по себе, без всякой перенормировки.
Это, в свою очередь, вполне может укладываться в картину, предложенную самим Эйнштейном. Он однажды сравнил свою теорию гравитации с мрамором – она такая же гладкая, элегантная, отполированная. А материя, напротив, больше напоминает древесину. Ствол дерева коряв, хаотичен, груб и не имеет правильной геометрической структуры. Его конечной целью было создание единой теории, которая соединила бы мрамор и древесину, то есть создание теории, целиком сделанной из мрамора. Именно это было мечтой Эйнштейна.
Теория струн может завершить эту картину. Суперсимметрия способна превращать мрамор в дерево и наоборот. Мрамор и дерево в ней – две стороны одной медали. В этой картине мрамор представлен бозонами, а дерево – фермионами. Хотя экспериментальных свидетельств в пользу существования суперсимметрии в природе у нас нет, она настолько элегантна и красива, что захватила воображение физического сообщества.
Стивен Вайнберг однажды сказал: «Хотя симметрии от нас скрыты, мы можем чувствовать, что они неявно присутствуют в природе, управляя всем вокруг. Это самая захватывающая идея из всех, какие я знаю: природа намного проще, чем она выглядит. Ничто не внушает мне большей надежды на то, что наше поколение реально держит в своих руках ключ от Вселенной, что еще при нашей жизни мы сможем сказать, почему все видимое в этой огромной Вселенной с галактиками и частицами логически неизбежно»
[42].
Если обобщить сказанное, то мы теперь видим, что симметрия может быть ключом к объединению всех законов Вселенной:
● Симметрия создает порядок из хаоса. Из хаоса химических элементов и элементарных частиц периодическая система Менделеева и Стандартная модель способны создать порядок, выстроив их аккуратно и симметрично.
● Симметрия помогает заполнить пробелы. Она позволяет выделять прорехи в теориях и, таким образом, предсказывать существование новых типов элементов и элементарных частиц.
● Симметрия объединяет совершенно неожиданные и, казалось бы, никак не связанные друг с другом объекты. Она находит связи между пространством и временем, материей и энергией, электричеством и магнетизмом, фермионами и бозонами.
● Симметрия раскрывает неожиданные явления. Она предсказала существование таких новых явлений, как антивещество, спин и кварки.
● Симметрия устраняет нежелательные следствия, способные разрушить теорию. Квантовые поправки часто характеризуются катастрофическими расходимостями и аномалиями, которые можно устранить при помощи симметрии.
● Симметрия изменяет первоначальную классическую теорию. Квантовые поправки к теории струн настолько строги, что на самом деле меняют первоначальную теорию, фиксируя размерность пространства-времени.
Рис. 12. Считается, что в начале времен существовало одно-единственное супервзаимодействие, симметрия которого включала в себя все частицы Вселенной. Но ситуация была нестабильна, и симметрия начала нарушаться. Первой отделилась гравитация. Затем за ней последовали сильное и слабое ядерные взаимодействия, оставив лишь электромагнитное взаимодействие. Так что Вселенная сегодня кажется разбитой на части, а все взаимодействия сильно отличаются друг от друга. Задача физиков – заново собрать кусочки в единое взаимодействие
Теория суперструн обладает всеми необходимыми свойствами. Ее симметрия – это суперсимметрия (симметрия бозонов и фермионов). Суперсимметрия, в свою очередь, – это самая всеобъемлющая симметрия, когда-либо обнаруженная в физике и способная объединить все известные частицы Вселенной.
М-теория
Нам еще предстоит сделать завершающий шаг в создании теории струн – найти ее фундаментальные физические принципы. Дело в том, что мы до сих пор не понимаем, как вывести всю теорию из одного-единственного уравнения. В 1995 г. теория струн пережила очередную метаморфозу, и родилась так называемая M-теория. Проблема первоначальной теории струн заключалась в существовании пяти вариантов квантовой теории гравитации, каждая из которых была конечна и хорошо определена. Все пять струнных теорий выглядели очень похоже, за исключением того, что спины в них были организованы немного по-разному. Возникал вопрос: почему же их пять? Ведь, по мнению большинства физиков, Вселенная должна быть уникальной.
