Параллельные миры - [41]

Эта симметрия, известная также под названием калибровочная инвариантность, была обнаружена очень давно — еще во времена первых исследований электромагнитных явлений. Однако вначале ей не придавали большого значения. Но после работ немецкого физика Генриха Вейля, которого в шутку называют крестным отцом симметрии, интерес к ней пробудился. А после успехов в создании теории объединенного электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики — теории сильного взаимодействия — среди специалистов возникло твердое убеждение, что калибровочная инвариантность и есть основной динамический принцип при создании единой теории поля.

Сравнительно недавно существовала лишь одна калибровочная теория — квантовая электродинамика. Объединение в 1967 году слабого и электромагнитного взаимодействия (теория Глешоу — Вайнберга — Салама) привело к тому, что рассматриваемая ранее изолированно некалибровочная теория слабого взаимодействия оказалась лишь частью целого — калибровочной теории слабого взаимодействия.

В 70-х годах была создана калибровочная теория сильного ядерного взаимодействия на базе объединения теории кварков М. Гелмана и Г. Цвейга с калибровочными уравнениями Ч. Янга и Ф. Милса. В 1954 году работающие в США физики Ч. Янг и Ф. Миллс создали новый тип уравнений, описывающих безмассовые поля на основе калибровочного принципа. Но поскольку единственной в те времена известной безмассовой частицей — переносчиком взаимодействия — был фотон (основная частица электромагнитного взаимодействия), то уравнения Янга — Миллса посчитали физико-математической экзотикой.

Однако позже оказалось, что теория Янга — Миллса составляет основу интерпретации взаимодействия кварков. По аналогии с квантовой электродинамикой она получила название квантовой хромодинамики. Замена электро- на хромо- объясняется тем, что кварки (как и любые сильно взаимодействующие внутри нуклонов частицы) обладают цветовым (chromo) зарядом, подобно тому, как электроны и протоны характеризуются электрическим зарядом.

С появлением квантовой хромодинамики возникли реальные предпосылки для создания единой теории калибровочных полей электрослабых и сильных взаимодействий. В 1973 году Шелдон Гленшоу и Говард Джоржи представили первую подобную теорию Великого объединения (ТВО).

Итак, квантовая электродинамика, теория элект-рослабого взаимодействия, квантовая хромодинамика и ТВО базируются на принципе калибровочной инвариантности. Именно поэтому калибровочная симметрия является базисом будущей единой теории всех взаимодействий, включая и гравитационное.

Второй основой единой теории является многомерность взаимодействий. Хотя идея многомерности и была введена Калуцей в научную практику еще в 1921 году, о ней основательно забыли. Ее исключительно эффективная реставрация произошла лишь через полстолетия, в середине 70-х годов, после появления теории суперсимметрии — теории, которая объединила все существующие взаимодействия в природе, включая гравитацию.

Теория суперсимметрии — это последнее достижение, венчающее долгий поиск единства в физике. Единства не только различных силовых полей, но и вещества. Она дает исчерпывающие ответы на очень непростые вопросы, например: как объединить все четыре фундаментальных взаимодействия в едином силовом поле; как объяснить существование всех фундаментальных частиц; как устроен параллельный мир, каковы его свойства и взаимоотношения с нашим миром.

Все фундаментальные взаимодействия и частицы объединяются в этой теории на базе использования всеобъемлющей калибровочной симметрии — суперсимметрии. Причем фундаментальные частицы описываются суперсимметрией и поэтому необходимы для ее поддержания. Все частицы «реального» мира имеют суперпартнеров, отличающихся от них собственными моментами количества движения — спинами (разница составляет 1/2). Вместе они представляют суперсимметричный мир, состоящий из обычного мира обычных частиц и мира, параллельного нашему, «реальному», миру. Слово реальный взято в кавычки, поскольку и параллельный мир частиц-суперпартне-ров так же реален (хотя и невидим), как и мир обычных частиц.

Математически суперсимметрия объединяет глобальную калибровочную симметрию с дополнительными измерениями, а физически соответствует превращению фермиона в бозон и наоборот. Следует пояснить, что фермионами в физике называют частицы, которые имеют полуцелый спин. Все кварки и лептоны имеют спин, равный 1/2, и относятся к фермионам. К другому классу частиц относятся бозоны — частицы, которые либо вообще не имеют спина (т. е. их спин равен нулю), как, например, частица Хиггса, либо имеют целочисленный спин. К последним наряду с фотоном относятся W- и Z-бозоны (все они имеют спин 1) и гравитон (имеющий спин 2).

Принципиальные различия в физических свойствах фермионов и бозонов связаны с тем, что все переносчики взаимодействий — бозоны, тогда как кварки и лептоны являются фермионами. Поэтому бозоны принято ассоциировать с полем, а фермионы — с веществом. Разумеется, в нашем реальном мире между ними существуют кардинальные различия. Однако теоретики считают, что в начале эволюции Вселенной, в первые минуты ее рождения существовали такие огромные температуры, что бозоны и фермионы постоянно превращались друг в друга. В настоящее время такие переходы невозможны.