Квантовые миры Стивена Хокинга

Новая симметрия получила название суперсимметрии. Она утверждает, что при перестановке бозонных и фермионных частиц физические законы должны оставаться неизменными. Это как бы зеркальное отражение природы, при котором фермионы превращаются в бозоны, а бозоны — в фермионы. Отсюда сразу же следует, что у каждого бозона должен быть партнер — фермион, и наоборот. Наряду с известными нам кварками-фермионами в природе должны быть еще кварки-бозоны и целая россыпь состоящих из них еще не открытых элементарных частиц.

У электрона, позитрона, нейтрино также должны быть партнеры — бозоны. Еще не открытый на опыте партнер, его называют фотино, есть и у частицы света фотона. Словом, все частицы в природе должны иметь своего суперсимметричного партнера. Часто один их них — легкая частица, иногда даже без массы покоя, как фотон или нейтрино, а второй очень тяжелый. Например, бозонный электрон весит, по крайней мере, в сорок тысяч раз больше обычного электрона. Не меньшая масса у бозонного нейтрино и у фотино. К таким выводам приводят и расчеты, и экспериментальные данные, ведь если бы частицы были легкими, для их рождения в ядерных реакциях требовалось бы меньше энергии, и они давно были бы обнаружены. Некоторые суперсимметричные партнеры могут быть в миллиарды и даже в миллиарды миллиардов раз тяжелее протона. Ни космические лучи, ни один из действующих ускорителей не обладает достаточной энергией, чтобы породить такие тяжелые крупинки материи. В глазах физиков идея суперсимметрии выглядит чрезвычайно привлекательной и многообещающей, однако пока это только гипотеза. Чтобы она стала доказанным фактом, нужно открыть хотя бы некоторые из предсказанных ею частиц, например бозонные кварки или суперпартнеров электрона и нейтрино. Тем не менее это не мешает ученым использовать идею суперсимметрии в своих теоретических исследованиях, и в первую очередь — для построения квантовой теории тяготения.

Вернемся к гравитону — гипотетическому кванту поля тяготения. Если верна гипотеза суперсимметрии, у него тоже есть партнер — гравитино. Это квант калибровочного поля, различающего фермионные и бозонные частицы. Вместе с гравитоном он образует семейство двух гравичастиц. У бозона-гравитона спин равен двум, у фермиона-гравитино — трем вторым. Гравитон подобен фотону и не имеет массы покоя, всегда двигаясь со скоростью света. Масса гравитино точно неизвестна, но по оценкам, по-видимому, раз в сто больше протонной, то есть не меньше, чем у ядра серебра, поэтому гравитино рождается на очень малых расстояниях, меньших тысячной диаметра протона. Под его влиянием поле тяготения приобретает совершенно новые черты — становится супергравитацией. Теория Эйнштейна для нее уже непригодна. Здесь нужна новая теория, объединяющая квантовую механику, идею суперсимметрии и общую теорию относительности. Она и была создана усилиями физиков многих стран.

Изучение супергравитации еще только начинается. Главное препятствие — отсутствие экспериментальных данных. Некоторые косвенные сведения дает лишь космология. Эволюция Вселенной в ранний период ее жизни, когда она представляла собой смесь из быстро рождающихся, распадающихся и взаимопревращающихся частиц, должна была зависеть от свойств гравитино. Сравнивая различные теоретические космологические сценарии развития Вселенной с астрофизическими наблюдениями, можно сделать некоторые грубые оценки.

Начиная с античных времен естествоиспытатели и философы задаются вопросом: не из дискретных ли частей состоят пространство и время? Действительно ли окружающий нас объем непрерывен или больше похож на кусок материи, сотканной из отдельных волокон? Если бы мы могли наблюдать чрезвычайно малые объекты, то увидели бы атомы пространства, неделимые мельчайшие частицы объема? А как быть со временем: плавно ли происходят изменения в природе — или мир развивается крошечными скачками, действуя, словно компьютер?

Как-то, будучи еще ассистентом профессора Сиамы, Хокинг сделал попытку распространить принципы квантового мира на окружающее пространство. Тогда у него получилось, что оно должно состоять из определенных квантовых единиц площади и объема, производных от длины Планка, связанной с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Из этого исследования Хокинг сделал вывод, что длина Планка определяет сверхмикроскопический масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной. Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, а наименьший объем, отличный от нуля, — куб длины Планка. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной.