Введение

«Так без большого труда ты все это можешь постигнуть, Ибо одно за другим выясняется все. Не сбиваясь Темною ночью с пути, ты узнаешь все тайны природы, И постоянно одно зажигать будет светоч другому.»

Тит Лукреций Карр. О природе вещей {пер. Ф. Петровского)

Даже не заглядывая внутрь старомодных часов с шестеренками, мы имеем вполне удовлетворительное представление о том, что происходит у них внутри. Немногие сегодня осознают, что у физиков есть ясное понимание того, как крутятся шестеренки субатомной Вселенной, заставляющие вертеться мир. Это понимание, или описание, дается на языке, который мы называем Стандартной моделью физики частиц. Человек, изучающий часовой механизм, может не только описать его работу, но и сказать, почему часы работают — почему один зубец шестерни, толкающий другой зубец, имитирует движение времени. Физики все глубже способны вглядеться в механизм работы Вселенной и не только дать его описание, но и сказать, почему те ее составляющие, которые они изучают, смогли образовать и поддерживать развитие того, что мы называем природой. Не слишком изящное название «Стандартная модель» закрепилось по мере того, как она создавалась и проверялась экспериментально, и изменить его уже невозможно.

Хороший способ больше узнать о часах состоит в том, чтобы понаблюдать за часовщиком, который их разбирает и снова собирает, а о природе — сходить на прогулку с натуралистом. Эта книга задумана как прогулка, совершая которую каждый, кто имеет достаточно уверенности и любопытства, может познакомиться с частицами и их поведением и получить удовольствие от этого знания. Мы будем странствовать не только по изведанной территории Стандартной модели, но и по новым районам, откуда могут произойти прорывы в еще более отдаленные области. Исходя из различных практических и теоретических соображений, многие физики думают, что следующим значимым открытием, возможно, будет прямое доказательство существования некоего свойства природы, которое мы называем «суперсимметрией». Эти соображения и выводы, следующие из существования суперсимметрии, составляют содержание этой книги.

Благодаря созданию и проверке Стандартной модели подошла к своему счастливому завершению «Первая книга» поисков понимания устройства физического мира. Стандартная модель (см. гл. 2) дает исчерпывающее описание фундаментальных частиц и взаимодействий, а также всех наблюдаемых в природе физических явлений. Стандартная модель содержит основополагающие принципы поведения протонов и нейтронов, ядер, атомов, молекул, конденсированного вещества, растений, звезд и объясняет большую часть того, что не удавалось понять прежде. Она сделала сотни успешных предсказаний, включая множество сенсационных, и на ее поле не существует явления (гл. 3), которое оставалось бы необъясненным (хотя необходимые для такого объяснения вычисления подчас слишком сложны). Последним кирпичиком, которого не хватало для завершения Стандартной модели, стало недавнее чудесное открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) Европейской лаборатории в ЦЕРНе. Похоже, что открытая частица действительно имеет свойства бозона Хиггса, того самого, который искали больше 30 лет, хотя нужно провести еще много проверок относительно его свойств, прежде чем заявить это окончательно. Мы посмотрим на экспериментальные и теоретические достижения и физику, заклю- ченую в открытии бозона Хиггса.

Если Стандартная модель успешно описывает природу, как может существовать физика за ее пределами, такая как суперсимметрия? Для этого есть две причины. Во-первых, Стандартная модель не в силах объяснить, почему Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества, а также не может сказать, что составляет темную материю Вселенной. Суперсимметрия дает объяснения обеих загадок. Во- вторых, в наше время изменяются сами границы физики. Сегодня ученые задают себе не только вопрос о том, как устроен мир (на этот вопрос отвечает Стандартная модель), но и почему он устроен именно так (вопрос, на который Стандартная модель не может ответить). Эйнштейн задавался вопросом «почему» еще в начале XX в., но только в последнее десятилетие этот вопрос стал предметом действительных научных исследований, а не просто философскими размышлениями.

Один из амбициозных подходов к вопросу «почему», расширяющих Стандартную модель, известен под названием «теории струн», которая формулируется для мира, состоящего из десяти или одиннадцати измерений. Основная работа над теорией струн до недавнего времени проводилась в направлении развития самой теории, а не в рамках плодотворного взаимодействия теории и эксперимента. Мы все будем восхищены, если такой подход приведет нас к цели. Как подчеркивает Эдвард Уиттен в предисловии к данной книге, теория струн предсказывает, что природа должна быть суперсимметричной. Чтобы теорию струн можно было проверить, ее необходимо «компактифицировать», так чтобы дополнительные измерения свернулись в крошечную область пространства, поскольку эксперименты проводятся в нашем четырехмерном мире. Хотя нельзя пройтись по этим дополнительным, малым измерениям, их свойства влияют на видимые нами свойства частиц и взаимодействий, и здесь также наметился прогресс в направлении понимания вопроса «почему», который я буду обсуждать.

Эта книга в основном о физике суперсимметрии — некоторой идее, состоящей в том, что выражающие основные законы природы уравнения не меняются при взаимной замене одних фигурирующих в уравнениях частиц другими. Точно так же, как нарисованный на листе бумаге квадрат смотрится одинаково при повороте листа на 90°, найденные описывающие природу уравнения часто не меняются, если проделать над ними определенные операции. Когда это происходит, говорят, что уравнения обладают симметрией. Суперсимметрия это именно такая симметрия: приставка «супер» в названии означает, что симметрия, о которой идет речь, — более удивительная и более скрытая от повседневного опыта, чем любые другие симметрии. Оказывается, что из идеи суперсимметрии вытекают примечательные следствия для объяснения тех аспектов мира, которые не может объяснить Стандартная модель, и особенно это касается физики бозона Хиггса. Наиболее важным следствием суперсимметрии может быть то, что она откроет нам окно из реального мира в мир теории струн, так что эксперименты смогут помочь нам в формулировании этой теории, а ее предсказания тогда смогут быть проверены. Суперсимметрия это и есть первая часть «Второй книги».

Сейчас, в конце 2012 г., когда моя книга пишется, суперсимметрия еще остается идеей. Есть весомое косвенное доказательство того, что суперсимметрия является свойством законов природы, но прямое доказательство пока не получено. Это не служит аргументом против того, что природа суперсимметрична, поскольку способная это подтвердить или опровергнуть ускорительная техника (БАК) только начинает касаться той области, в которой могут присутствовать искомые сигналы. Я попытался написать книгу так, чтобы она осталась корректной и интересной в случае, если удастся обнаружить частицы-«суперпартнеры» (см. гл. 1)и предсказываемые суперсимметрией дополнительные бозоны Хиггса. Конечно, когда у нас появятся соответствующие положительные сигналы, многое можно будет заострить. Однако, надеюсь, объяснения, которые может дать суперсимметрия, пути ее понимания и проверки, способы, которыми она может быть связана с теорией струн, останутся близки представленным в книге.

В некоторых книгах по физике частиц говорится о различных путях расширения Стандартной модели. Я же решил сфокусироваться на одном из таких путей, - направлении суперсимметрии. В пользу этого подхода говорит множество теоретических и косвенных аргументов, включая само открытие бозона Хиггса. Вопрос не будет решен окончательно до тех пор, пока на БАК или в нацеленных на поиск темной материи экспериментах не будут открыты суперпартнеры. Если суперсимметрия не есть решение проблемы, то на это должны указать эксперименты.

Эта книга призвана быть самодостаточной и доступной широкому кругу интересующихся читателей.

Я очень благодарен своему самому беспощадному редактору — моей жене Луис, Джеку Керни (Jack Kearney) и Бобу Женгу (Bob Zheng) за обстоятельное прочтение рукописи, и особенно Марии Спиропулу (Maria Spiropulu) за полезные дискуссии и мудрость.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >