Уравнение Бога. В поисках теории всего

Несмотря на все безумие струнной теории, одна ее способность не дает ей сойти со сцены: она успешно «сочетает браком» две великие физические теории – общую теорию относительности и квантовую теорию – и, таким образом, дарует нам конечную теорию квантовой гравитации. Именно этим объясняется ажиотаж вокруг теории струн.

Как уже говорилось, добавляя к КЭД квантовые поправки или частицу Янга – Миллса, мы получаем поток расходимостей, которые необходимо устранять.

Но все это ни к чему не приводит, если мы пытаемся устроить вынужденный брак двух великих теорий природы – теории относительности и квантовой теории. Чтобы применить квантовый принцип к гравитации, мы разбиваем ее на энергетические пакеты, или кванты, называемые гравитонами. Затем мы рассчитываем столкновение гравитонов друг с другом и с частицами материи, такими как электрон. Но при этом весь набор фокусов, придуманных Фейнманом и 'тХоофтом, не дает результата. Квантовые поправки, вызванные взаимодействием гравитонов с другими гравитонами, расходятся и совершенно не поддаются устранению методами, найденными предыдущими поколениями физиков.

Вот здесь-то и происходит следующий акт волшебства. Теория струн в состоянии устранить эти проблематичные расходимости, донимавшие физиков на протяжении почти столетия. И это волшебство вновь реализуется через симметрию.

Рис. 11. При расчете столкновения двух гравитонов (вверху) ответ получается бесконечным, а значит, бессмысленным. Но когда сталкиваются две струны (внизу), мы получаем два слагаемых – одно от бозонов, другое от фермионов. В теории струн два этих слагаемых в точности компенсируют друг друга, помогая создать конечную теорию квантовой гравитации

Суперсимметрия

Исторически симметричность уравнений считалась положительным качеством, но рассматривалась как роскошь, в которой не было строгой необходимости. В квантовой теории симметрия становится самым важным свойством физики.

Как мы установили, при вычислении квантовых поправок к той или иной теории они нередко получаются расходящимися (то есть бесконечными) или аномальными (то есть нарушающими изначальную симметрию теории). Только в последние десятилетия физики поняли, что симметрия – это не просто приятное свойство теории, а скорее ее центральный компонент. Требование симметричности теории зачастую способно изгнать из нее расходимости и аномалии, присущие несимметричным теориям. Симметрия – меч, при помощи которого физики одолевают драконов, выпущенных на волю квантовыми поправками.

Как уже говорилось, Дирак обнаружил, что его уравнение для электрона предсказывает наличие у электрона спина (который представляет собой математическое свойство уравнений, напоминающее обычное вращение (по-английски spin), которое мы наблюдаем в повседневной жизни). Позже физики выяснили, что спином обладают все элементарные частицы. Но спин бывает двух типов.

В определенных квантовых единицах спин может быть либо целым (таким, как 0, 1 или 2), либо полуцелым (таким, как ¹/₂, ³/₂). Частицы с целым спином описывают взаимодействия Вселенной. Они включают в себя фотон и частицу Янга – Миллса (со спином 1), а также частицу гравитации гравитон (со спином 2). Их называются бозонами (в честь индийского физика Шатьендраната Бозе). Так что можно сказать, что природные взаимодействия переносятся бозонами.

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.