Єдина фізика до 2050 стан і надії?

Майбутні експерименти в CERN та в інших лабораторіях мають дозволити нам завершити Стандартну модель фізики елементарних частинок, але така об’єднана теорія всіх сил, імовірно, потребуватиме радикально нових ідей.

Одне з головних завдань фізики — осягати дивовижне різноманіття природи єдиним способом. Найбільші наукові досягнення минулого були кроками до цієї мети: об’єднання земної та небесної механіки Ісааком Ньютоном у 17 столітті; оптики з теорією електрики й магнетизму Джеймсом Клерком Максвеллом у 19 столітті; геометрії простору-часу та гравітації Альбертом Ейнштейном з 1905 по 1916 рік; а також хімії та атомної фізики у квантовій механіці у 20-х роках [див. іл. "Об’єднання" і "Головні досягнення"].

Ейнштейн присвятив останні 30 років свого життя невдалому пошуку "єдиної теорії поля", яка об’єднала б загальну теорію відносності (його власну теорію простору-часу та гравітації) з теорією електромагнетизму Максвелла. Просування до об’єднання відбулося пізніше, але в іншому напрямі. Наша нинішня теорія елементарних частинок і сил, відома як Стандартна модель фізики елементарних частинок, досягла об’єднання електромагнетизму зі слабкими взаємодіями — силами, що керують взаємоперетворенням нейтронів і протонів у радіоактивних процесах та в надрах зір. Стандартна модель дає окремий, але подібний опис сильної взаємодії, яка втримує кварки всередині протонів і нейтронів, а протони й нейтрони — разом усередині атомних ядер.

В об’єднаній теорії доводиться мати справу з КВАНТОВИМ ХАРАКТЕРОМ простору й часу. В області надмалих відстаней простір може бути поданий неперервною структурою з’єднаних між собою струн і мембран або чимось іншим, досі ще невідомим.

У нас є ідеї щодо того, як теорію сильних взаємодій можна об’єднати з теорією слабких та електромагнітних взаємодій (таке об’єднання часто називають Великим об’єднанням), але вони можуть спрацювати лише за умови залучення гравітації, що саме собою є надзвичайно складним завданням. Ми підозрюємо, що очевидні відмінності цих сил зумовлені певними подіями на найранішій стадії Великого вибуху, а дослідження подробиць настільки ранньої космічної історії, можливо, потребуватиме придатнішої теорії гравітації та інших сил. Є шанс завершити роботу над Великим об’єднанням до 2050, але навряд чи ми можемо говорити про це впевнено.

Квантові поля

Стандартна модель є квантовою теорією поля. Основні об’єкти такої теорії — поля, зокрема електричні й магнітні поля електродинаміки 19-го століття. Коливання таких полів переносять енергію та імпульс з одного місця простору в інше, а квантова механіка стверджує, що ці хвилі збираються в пакети, або кванти, які спостерігаються в лабораторії як елементарні частинки. Зокрема, квант електромагнітного поля — це частинка, відома як фотон.

Стандартна модель містить поля для кожного типу елементарних частинок, спостережуваних у лабораторіях фізики високих енергій [див. іл. "СТАНДАРТНА МОДЕЛЬ"]. Є лептонні поля, квантами яких є знайомі нам електрони, що утворюють зовнішні оболонки звичайних атомів, важчі частинки, відомі як мю-мезони й тау-мезони [назви частинок в оригіналі потребують уточнення], а також відповідні їм електрично нейтральні частинки, відомі як нейтрино. Є також поля для кварків різних типів, деякі з яких зв’язані разом усередині протонів і нейтронів, що утворюють ядра звичайних атомів. Сили між цими частинками зумовлені процесами обміну фотонами й частинками W⁺, W^- і Z⁰, що передають слабкі взаємодії, а також вісьмома типами глюонів, відповідальних за сильну взаємодію.

СТАНДАРТНА МОДЕЛЬ фізики елементарних частинок описує кожну частинку матерії та кожну силу як квантові поля. Елементарні частинки матерії — три покоління ферміонів (a). Кожне покоління цих частинок має подібну структуру властивостей. Фундаментальні взаємодії переносяться бозонами (b), які організовані відповідно до трьох близько споріднених симетрій. Крім того, одна чи більше частинок або полів Гіґґса (c) породжують маси інших полів.

Ці частинки демонструють широке різноманіття мас, у якому прихована ще не пізнана нами закономірність: електрон у 350,000 разів легший за найважчий кварк, а нейтрино ще легше за електрон. Стандартна модель не надає нам механізму, що дозволяє обчислити будь-яку із цих мас, доки ми не введемо до неї додаткові скалярні поля (scalar fields). Слово "скаляр" означає, що ці поля нечутливі до напрямку в просторі, на відміну від електричних, магнітних та інших полів Стандартної моделі. Це дає змогу таким полям заповнювати весь простір, не суперечачи одному з найбільш підтверджених принципів фізики, згідно з яким усі просторові напрямки рівноправні. (Натомість, якби, наприклад, усюди в просторі існувало ненульове магнітне поле, ми могли б визначити привілейований напрямок за допомогою звичайного компаса.) Вважається, що взаємодія інших полів Стандартної моделі з усепроникними скалярними полями надає маси частинкам Стандартної моделі.

За вершиною

Щоб завершити Стандартну модель, ми маємо підтвердити існування цих скалярних полів і з’ясувати, скільки їхніх типів існує. Це проблема виявлення нових елементарних частинок, які часто називають частинками Гіґґса (Higgs particles) і які можна зареєструвати як кванти цих полів. Ми маємо достатньо підстав очікувати, що це завдання буде виконано до 2020 року, оскільки прискорювач під назвою Великий адронний колайдер (Large Hadron Collider) Європейської лабораторії фізики елементарних частинок поблизу Женеви (CERN) працюватиме задля цього понад десять років.

Щонайменше має бути виявлена одна електрично нейтральна скалярна частинка. Буде катастрофою, якщо все, що виявиться до 2020 року, усе ж залишить нас без ключа до розв’язання величезної загадки щодо характерних енергій, з якими стикаються у фізиці, відомої як проблема ієрархії.

Найважча з відомих частинок Стандартної моделі — вищий кварк із масовим еквівалентом 175 ГеВ. (Один ГеВ — трохи більше за енергію, що міститься в масі протона.) Очікується, що ще не виявлені частинки Гіґґса матимуть подібні маси — від 100 до кількох сотень ГеВ. Але є підстави вважати, що шкала мас, які з’являться в рівняннях іще не сформульованої об’єднаної теорії, буде набагато вищою. У Стандартній моделі взаємодії полів глюонів, W-бозонів, Z-бозонів і фотонів з іншими полями цієї моделі мають різну інтенсивність; саме тому сили, зумовлені обміном глюонами, за звичайних умов приблизно у 100 разів більші за інші. Гравітація — значно слабша взаємодія: величина сили тяжіння між електроном і протоном в атомі водню становить приблизно 10^-39 від величини електричної сили.

Але всі ці сили взаємодії залежать від енергії, за якої їх вимірюють [див. іл. "Сили зв’язку"]. Дивовижно, що, коли взаємодії полів Стандартної моделі екстраполюються в область високих енергій, усі вони стають рівними одна одній за енергій трохи більших за 10¹⁶ ГеВ, а сила гравітації має ту саму величину за енергій, не набагато вищих за 10¹⁸ ГеВ. (Запропоновані уточнення теорії гравітації показують, що величина сили гравітації може зрівнятися з іншими силами вже за 10¹⁶ ГеВ.) Ми звикли до досить великих співвідношень мас у фізиці елементарних частинок, приблизно від 1 до 350000 разів у відношенні маси вищого кварка до маси електрона, але це ніщо порівняно з величезним відношенням фундаментальної енергетичної шкали Великого об’єднання 10¹⁶ ГеВ (або, можливо, 10¹⁸ ГеВ) до енергетичної шкали приблизно 100 ГеВ, типової для Стандартної моделі [див. іл. "Проблема ієрархії"]. Основне завдання проблеми ієрархії — пояснити це величезне співвідношення, цей гігантський стрибок від одного рівня до наступного в послідовності енергетичних шкал, причому це співвідношення має бути результатом не підгонки сталих у наших рівняннях, а природним наслідком фундаментальних принципів.

Теоретики запропонували кілька цікавих ідей для природного розв’язання проблеми ієрархії, зокрема новий принцип симетрії, відомий як суперсиметрія (який також поліпшує точність, із якою сили взаємодій зближуються за 10¹⁶ ГеВ), або нову сильну взаємодію, відому як техніколір [див. іл. "ЩО Ж ДАЛІ?"]. Усі ці теорії містять додаткові сили, які об’єднуються із сильними, слабкими та електромагнітними силами за енергій приблизно 10¹⁶ ГеВ. Нові взаємодії стають переважними за енергій, набагато нижчих за 10¹⁶ ГеВ, але ми не можемо спостерігати їх безпосередньо, оскільки вони не діють на відомі частинки Стандартної моделі. Натомість вони діють на інші частинки, які надто масивні, щоб їх можна було отримати в наших лабораторіях. Ці "дуже важкі" частинки, проте, набагато легші за 10¹⁶ ГеВ, тому що вони набувають своєї маси з енергії нової взаємодії, яка є сильною лише за енергій, значно нижчих за 10¹⁶ ГеВ. У цій картині відомі частинки Стандартної моделі взаємодіяли б із найважчими частинками, а їхні маси виникали б як вторинний ефект цієї порівняно слабкої взаємодії. Цей механізм розв’язав би проблему ієрархії, роблячи відомі частинки легшими за найважчі частинки, які самі набагато легші за 10¹⁶ ГеВ.

Усі ці ідеї мають спільну рису: вони потребують існування цілого зоопарку нових частинок із масами, не набагато більшими за 1,000 ГеВ. Якщо в цих ідеях є частка істини, то ці частинки мають бути виявлені до 2020 у Великому адронному колайдері, а деякі з них можна виявити ще раніше у Fermilab або CERN, хоча не виключено, що для повного дослідження їхніх властивостей знадобиться понад десятиліття й нові прискорювачі. Коли ці частинки буде виявлено, а їхні властивості виміряно, ми зможемо дізнатися, чи пережила якась із них ранні миті Великого вибуху, щоб тепер стати "темною матерією" в міжгалактичному просторі, яка, як вважається, становить основну частину наявної маси Всесвіту. У будь-якому разі видається ймовірним, що до 2050 ми зрозуміємо причину такого величезного співвідношення енергетичних шкал.

Пригнічені взаємодії

Що ж буде далі? Фактично немає жодного шансу, що ми зможемо ставити експерименти, у яких вивчалися б процеси за енергій частинок 10¹⁶ ГеВ. За наявних технологій діаметр прискорювача пропорційний енергії, наданій прискореним частинкам. Для розгону частинки до енергії 10¹⁶ ГеВ знадобився б прискорювач діаметром у кілька світлових років. Навіть якби хтось знайшов інший спосіб зосередити настільки велику кількість енергії на окремій частинці, отримати корисну інформацію зі спостереження за процесами за таких енергій було б дуже важко. Але навіть попри те, що ми не можемо безпосередньо вивчати процеси за енергій порядку 10¹⁶ ГеВ, є дуже добрий шанс, що ці процеси створюють ефекти за доступних енергій, які можна зафіксувати експериментально, оскільки вони виходять за межі дозволеного Стандартною моделлю.

Стандартна модель — квантова теорія поля особливого виду, а саме "перенормовна" теорія. Цей термін повертає нас до 40-х років, коли фізики вчилися використовувати перші квантові теорії поля для обчислення тонкої структури атомних рівнів. Вони виявили, що обчислення із застосуванням квантової теорії поля дають нескінченні величини. Така ситуація зазвичай означає, що теорія або вкрай хибна, або застосовується поза межами своєї придатності. Але вони вчасно знайшли спосіб поводження з нескінченними величинами, включаючи їх через перевизначення, або "перенормування", у деякі фізичні сталі, як-от заряд і масу електрона. (Мінімальна версія Стандартної моделі з однією скалярною частинкою має 18 таких сталих.) Теорії, у яких ця процедура працювала, називали перенормовними, і вони мали простішу структуру, ніж неперенормовні теорії.

ПРОБЛЕМА ІЄРАРХІЇ — міра нашого незнання. В експериментах (жовта зона), що мають справу з енергіями приблизно до 200 ГеВ, реєструється цілий набір мас частинок (червоні точки) та енергетичних шкал взаємодій (зелені смуги), які дуже добре описуються Стандартною моделлю. Загадкою для нас є величезний проміжок між двома подальшими енергетичними шкалами, а саме шкалою об’єднання сильної та електрослабкої взаємодій (10¹⁶ ГеВ) і планківською шкалою, характерною для квантової гравітації (10¹⁸ ГеВ).

Саме ця проста перенормовна структура Стандартної моделі дозволяє нам отримувати точні кількісні передбачення результатів експериментів, успіх яких підтвердив обґрунтованість теорії. Зокрема, принцип перенормовності разом із різними принципами симетрії Стандартної моделі забороняє неспостережувані процеси на кшталт розпаду ізольованих протонів і забороняє нейтрино мати масу. Фізики зазвичай вважали, що квантова теорія поля, яка має стосунок до реальності, повинна бути перенормовною. Цей принцип панував у формулюваннях Стандартної моделі. І той факт, що з фундаментальних причин неможливо було сформулювати перенормовну квантову теорію гравітації, викликав у теоретиків велику тривогу.

Нині ж стан справ змінився. Різні теорії у фізиці елементарних частинок розрізняються залежно від енергії розглядуваних процесів і реакцій. Взаємодія, зумовлена обміном дуже масивною частинкою, буде надзвичайно слабкою за енергій, низьких порівняно із цією масою. Інші ефекти також можуть бути пригнічені подібним чином. Таку область низьких енергій розглядають в ефективній теорії поля, у якій ці взаємодії є мізерними. Теоретики зрозуміли, що будь-яка фундаментальна квантова теорія, сумісна зі спеціальною теорією відносності, за низьких енергій перетворюється на перенормовну теорію. Але хоча нескінченності й далі не допускаються до теорії, ці ефективні теорії не мають простої структури класичної перенормовної теорії. Замість того щоб повністю виключати додаткові складні взаємодії, їх роблять сильно пригніченими в області нижче певного характерного енергетичного порога.

А гравітація і є саме такою пригніченою неперенормовною взаємодією. Саме з її сили (або, точніше, слабкості) за низьких енергій ми робимо висновок, що її фундаментальна енергетична шкала — приблизно 10¹⁸ ГеВ. Інша пригнічена неперенормовна взаємодія зробила б протон нестабільним із періодом напіврозпаду в діапазоні від 10³¹ до 10³⁴ років, який, можливо, не вдасться зафіксувати навіть до 2050 [див. мою статтю "The Decay of the Proton"; Scientific American, June 1981]. Інша ж пригнічена неперенормовна взаємодія надала б нейтрино крихітні маси, приблизно 10^-11 ГеВ. Уже зараз є певні свідчення, що маси нейтрино мають саме такий порядок; остаточно ж це питання буде з’ясоване задовго до 2050 [див. "Detecting Massive Neutrinos," by Edward Kearns, Takaaki Kajita and Yoji Totsuka; Scientific American, August 1999].

ЩО Ж ДАЛІ? Є кілька шляхів об’єднання фізики за межами Стандартної моделі. Моделі технікольору (a) вводять нові взаємодії, аналогічні "колірній" силі, яка зв’язує кварки. Наслідок цього — поява нових поколінь частинок, відмінних від трьох відомих. Суперсиметрія (b), яка пов’язує ферміони з бозонами, додає до кожної відомої частинки суперсиметричного партнера. М-теорія і теорія струн (c) видозмінюють повну модель у термінах нових об’єктів на кшталт крихітних струн, петель і мембран, які за низьких енергій поводяться подібно до частинок.

Такі спостереження будуть дуже корисними для об’єднаної теорії всіх сил, але відкриття цієї теорії, ймовірно, буде неможливим без появи радикально нових ідей. Деякі з них уже висунуті й обговорюються. Існує п’ять різних теорій крихітних одновимірних об’єктів, відомих як струни, різні моди коливань яких проявляються за низької енергії як різні види частинок і, очевидно, становлять скінченні теорії гравітації та інших сил у 10-вимірному просторі-часі. Звісно, ми не живемо в 10 вимірах, але ймовірно, що шість із цих вимірів можуть бути згорнуті настільки сильно, що їх не видно в процесах за енергій нижче 10¹⁶ ГеВ на одну частинку. Ясність у всьому цьому з’явилася лише за останні кілька років, коли виявилося, що ці п’ять струнних теорій (а також квантова теорія поля в 11 вимірах) — не що інше, як наближені версії єдиної фундаментальної теорії (яку іноді називають М-теорією) [див. "The Theory Formerly Known as Strings," by Michael J. Duff; Scientific American, February 1998]. Але поки що ніхто не знає, як записати рівняння цієї теорії.

Поза простором і часом

На шляху до розв’язання цієї задачі стоять дві великі перешкоди. Одна полягає в тому, що ми не знаємо, які фізичні принципи керують такою фундаментальною теорією. Розробляючи загальну теорію відносності, Ейнштейн керувався принципом, який він вивів із відомих властивостей гравітації, — принципом еквівалентності сил тяжіння та інерційних ефектів на кшталт відцентрової сили. Розвиток Стандартної моделі виходив із принципу калібрувальної симетрії, який є узагальненням відомої властивості електрики: фізичний зміст має лише різниця потенціалів, а не сам потенціал безпосередньо.

Але поки що не виявлено жодного фундаментального принципу, на основі якого можна було б побудувати М-теорію. Різні наближення до цієї теорії нагадують струнні або польові теорії у просторі-часі різної розмірності, але можливо, що нова фундаментальна теорія взагалі не має формулюватися в термінах простору-часу. Квантову теорію поля досить сильно обмежують принципи, що лежать в основі природи чотиривимірного простору-часу й включені до спеціальної теорії відносності. Невідомо, як ми можемо отримати ідеї, потрібні для правильного формулювання нової фундаментальної теорії, якщо ця теорія має описувати область, де всі інтуїтивні уявлення, набуті нами з життя у просторі-часі, стануть непридатними.

СТАЛІ ЗВ’ЯЗКУ ВЗАЄМОДІЙ не залишаються незмінними, а повільно змінюються залежно від енергії. Цей процес точно описаний квантовою теорією поля й перевірений експериментально аж до 200 ГеВ. Теоретична екстраполяція показує, що три взаємодії Стандартної моделі (сильна та об’єднані слабка й електромагнітна) мають приблизно однакову інтенсивність за дуже високих енергій (a), а з урахуванням суперсиметрії (b) ця рівність стає ще точнішою. Товщина кривої вказує приблизну невизначеність сталих зв’язку.

Інша перешкода полягає в тому, що, навіть якби ми й змогли сформулювати фундаментальну теорію, ми не могли б знати, як використовувати її для передбачень, що підтверджують її істинність. Більшість успішних передбачень Стандартної моделі ґрунтувалися на методі обчислень, відомому як теорія збурень. У квантовій механіці ймовірності фізичних процесів обчислюються підсумовуванням за всіма можливими послідовностями проміжних кроків, через які може відбуватися процес. Використовуючи теорію збурень, спочатку розглядають лише найпростіші проміжні кроки, потім складніші й так далі. Цей спосіб працює лише тоді, коли дедалі складніші проміжні кроки дають дедалі менші внески в імовірність; зазвичай це відбувається, якщо стала зв’язку достатньо мала. Іноді теорія з дуже сильною взаємодією еквівалентна іншій теорії з дуже слабкою взаємодією, у якій застосовні методи теорії збурень. Таке відношення еквівалентності діє для деяких пар із п’яти струнних теорій у 10 вимірах і теорії поля в 11 вимірах, згаданих раніше. На жаль, взаємодії фундаментальної теорії, очевидно, не є ані дуже сильними, ані дуже слабкими, що виключає будь-яке використання теорії збурень.

Пошук відповіді

Ми зараз не можемо сказати, коли ці проблеми буде розв’язано. Може виявитися, що їх розв’яже якийсь молодий теоретик у препринті, написаному завтра. А може виявитися, що їх не буде розв’язано ні у 2050, ні навіть у 2150 році. Але навіть коли їх буде розв’язано, доки ми не зможемо ставити експерименти за енергій 10¹⁶ ГеВ або вивчати вищі виміри, нас не турбуватиме проблема перевірки істинності фундаментальної об’єднаної теорії. Окрім перевірки того, чи правильно теорія пояснює виміряні значення фізичних сталих Стандартної моделі, майбутні експерименти мають виявити нові ефекти, не передбачені Стандартною моделлю.

Можливо, коли ми нарешті зрозуміємо, як частинки й сили поводяться за енергій до 10¹⁸ ГеВ, ми лише зіткнемося з новими таємницями, а до остаточного об’єднання буде значно далі, ніж будь-коли раніше. Але я в цьому сумніваюся. Поки що немає жодних натяків на те, що фундаментальна енергетична шкала простягається далі за 10¹⁸ ГеВ, а теорія струн навіть припускає, що вищі енергії не мають фізичного змісту.

Відкриття об’єднаної теорії, яка описує природу за будь-яких енергій, дозволить нам відповісти на найглибші питання космології: чи має хмара галактик, що розширюється і яку ми називаємо Великим вибухом, початок у часі? Чи є Великий вибух лише одним епізодом історії Всесвіту, у якій великі й малі вибухи відбуваються вічно? Чи змінюються фізичні сталі або навіть закони природи від одного вибуху до іншого?

Це не буде кінцем фізики. Це, ймовірно, навіть не допоможе нам розв’язати деякі ще не розв’язані проблеми сучасної фізики, як-от розуміння турбулентності та високотемпературної надпровідності. Але це буде кінець фізики певного типу, а саме пошуку об’єднаної теорії, з якої випливають усі інші факти фізичної науки.

Про автора:

Керівник теоретичної групи Техаського університету в Остіні, співробітник відділів фізики елементарних частинок та астрономії. Його роботи з фізики елементарних частинок відзначені численними преміями й нагородами, зокрема Нобелівською премією з фізики 1979 року та Національною медаллю науки в 1991. Третій том ("Суперсимметрия") його трактату "Квантовая теория поля" має вийти друком наприкінці цього місяця у видавництві Кембриджського університету. Другий том ("Современные приложения") було визнано "неперевершеною за глибиною, загальністю й точністю формулювань книгою з квантової теорії поля"

Для подальшого читання:

Unified Theories of Elementary-Particle Interaction. Steven Weinberg in Scientific American, Vol. 231, No. 1, pages 50-59; July 1974.

Dreams of a Final Theory. Steven Weinberg. Pantheon Books, 1992.

Reflections on the Fate of Spacetime. Edward Witten in Physics Today, Vol. 49, No. 4, pages 24-30; April 1996.

Duality, Spacetime and Quantum Mechanics. Edward Witten in Physics Today, Vol. 50, No. 5, pages 28-33; May 1997.

The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory. Brian Greene. W. W. Norton,1999.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.