Уравнение Бога. В поисках теории всего - [40]

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.

Но в теории струн происходит нечто замечательное. При расчете квантовых поправок к теории струн мы имеем две составляющие. Есть квантовые поправки, исходящие от фермионов, а есть – исходящие от бозонов. Они чудесным образом одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Одно из слагаемых может быть положительным, но одновременно имеется и другое слагаемое – отрицательное. При сложении они компенсируют друг друга, оставляя конечный результат.

Физикам не удавалось создать союз теории относительности и квантовой теории почти столетие, но симметрия фермионов и бозонов, называемая суперсимметрией, позволяет взаимно скомпенсировать многие бесконечности. Вскоре физики открыли и другие способы устранения бесконечностей, оставляющие конечный результат. Именно в этом кроются истоки того ажиотажа, что окружает теорию струн: она способна объединить гравитацию и квантовую теорию. Ни одна другая теория не может претендовать на то же самое. Это, возможно, позволит снять и первоначальное возражение Дирака. Он ненавидел теорию перенормировки, потому что, несмотря на ее фантастические и неоспоримые успехи, в ней предлагалось складывать и вычитать бесконечные по размеру величины. Здесь же мы видим, что теория струн конечна сама по себе, без всякой перенормировки.

Это, в свою очередь, вполне может укладываться в картину, предложенную самим Эйнштейном. Он однажды сравнил свою теорию гравитации с мрамором – она такая же гладкая, элегантная, отполированная. А материя, напротив, больше напоминает древесину. Ствол дерева коряв, хаотичен, груб и не имеет правильной геометрической структуры. Его конечной целью было создание единой теории, которая соединила бы мрамор и древесину, то есть