Закрученные пассажи

Глава 11 Скейлинг и Великое объединение: связь взаимодействий на разных расстояниях и при разных энергиях

I hope someday you’ll join us

And the world will live as one.

John Lennon[116]

Афине часто казалось, что интересные новости доходили до нее в последнюю очередь. Она ничего не слышала о приключениях Икара с автомобилем, пока не прошло больше месяца со дня его покупки. И узнала-mo она об этих приключениях совсем не от него, а от своей подруги, которая слышала о них от брата кузена Дитера, а он узнал о них от кузена Дитера, который слышал о них от самого Дитера.

Таким окольным путем до Афины дошла следующая фраза, сказанная Икаром: «Интенсивность силы зависит от места, где вы были». Эти странные слова, совсем не характерные для Икара, сначала сбили Афину с толку, но потом она поняла, что фраза по дороге исказилась, как в испорченном телефоне. После некоторых раздумий она решила, что на самом деле замечание Икара было таким: «Эффективность машины зависит от модели автомобиля»[117].

Мы увидим, что первоначально услышанное Афиной замечание правильно. В этой главе рассказывается о том, как физические процессы, происходящие между частицами, находящимися на одном расстоянии друг от друга, могут быть связаны с процессами, происходящими между частицами, находящимися на другом расстоянии, и почему физические величины, например масса частицы или константа взаимодействия, зависят от энергии частицы. Эта зависимость от энергии и расстояния превосходит классическую зависимость сил от расстояния. Например, с классической точки зрения, напряженность электромагнитного, а также гравитационного полей уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами (закон обратных квадратов). Но квантовая механика изменяет эту зависимость от расстояния, оказывая влияние на напряженность самого взаимодействия, так что частицы на разных расстояниях (и при разных энергиях) взаимодействуют как бы с разными зарядами.

С увеличением расстояния взаимодействия становятся слабее или сильнее за счет виртуальных частиц — короткоживущих частиц, существующих как следствие законов квантовой механики и соотношения неопределенностей. Виртуальные частицы взаимодействуют с калибровочными бозонами и изменяют взаимодействия так, что они становятся зависящими от расстояния, что напоминает то, как друзья Афины исказили слова Икара, передавая их от одного к другому.

Квантовая теория поля показывает, как вычислить влияние виртуальных частиц на зависимость взаимодействий от расстояния и энергии. Одним из триумфов подобных вычислений было объяснение того, почему сильное взаимодействие так сильно. Другим интересным следствием стала потенциальная возможность существования теории Великого объединения (ТВО), в рамках которой столь различные при низких энергиях три негравитационных взаимодействия сливаются в единое взаимодействие при высоких энергиях. Мы воспользуемся ниже этими результатами и теми идеями и вычислениями в квантовой теории поля, которые к ним приводят.

В следующих главах следует иметь в виду насколько сильно различаются масштабы энергий, которые мы обсуждаем. Энергия объединения составляет одну тысячу триллионов ГэВ, а планковский масштаб энергии, на котором гравитация становится сильной, еще примерно в тысячу раз больше. Энергетический масштаб слабых взаимодействий, равный энергии, при которой осуществляются современные эксперименты, неизмеримо меньше; он находится в пределах от ста до тысячи ГэВ. Слабый масштаб энергий настолько же мал по сравнению с энергией Великого объединения, насколько размер мраморного шарика мал по сравнению с расстоянием от Земли до Солнца. Поэтому иногда я буду называть масштаб слабых взаимодействий низкоэнергетическим, несмотря на то что это очень большая энергия с точки зрения экспериментальных перспектив, но в то же время она намного меньше энергетического масштаба Великого объединения и планковского масштаба.

Эффективные теории поля используют идею эффективной теории, о которой шла речь в гл. 1, в приложении к квантовой теории поля. Они концентрируют внимание на тех масштабах энергии и расстояния, которые есть надежда измерить. Эффективная теория поля, примененная на определенном масштабе энергии и расстояния, «эффективно» описывает те энергии и расстояния, которые нас интересуют. Эта теория фокусируется на тех силах и взаимодействиях, которые могут проявиться, когда энергия частиц[118] не превосходит некоторой заданной величины, и пренебрегает энергиями, которые недостижимо выше. Теория не занимается деталями физических процессов и поведения частиц, которые происходят при энергиях, много больших тех, которые можно достичь.

Одно из преимуществ эффективной теории поля состоит в том, что даже если вы не знаете, какие взаимодействия имеют место на коротких расстояниях, вы можете продолжать изучение величин, существенных на интересующих вас масштабах. Вам нужно всего лишь думать о величинах, которые вы можете (в принципе) измерить. Когда вы смешиваете краски, вам не нужно знать их подробную молекулярную структуру. Но, скорее всего, вас интересуют непосредственно воспринимаемые свойства, такие как цвет и текстура. Имея эту информацию, и даже не зная микроструктуру вашей краски, вы можете расклассифицировать краски по их свойствам и предсказать, как будет выглядеть смесь красок, когда вы перенесете их на холст.

Однако, если вам известен химический состав ваших красок, правила физики позволяют установить некоторые их свойства. Эта информация не нужна вам, когда вы рисуете (используете эффективную теорию), но она может оказаться полезной, когда вы смешиваете краски (выводите параметры эффективной теории из более фундаментальной теории).

Аналогично, если вы не знаете, как выглядит теория на малых расстояниях (при больших энергиях), вам не удастся вывести измеримые величины. Однако, если вы знаете детали поведения на малых расстояниях, квантовая теория поля точно указывает, как связаны разные эффективные теории, применяемые при разных энергиях. Квантовая теория поля позволяет вам вывести величины, относящиеся к одной эффективной теории, например, массы или константы взаимодействия, зная величины, относящиеся к другой эффективной теории.

Метод вычисления зависимости наблюдаемых величин от энергии или расстояния, впервые развитый в 1974 году Кеннетом Вильсоном, получил причудливое название ренормализационной группы. Наряду с симметриями, двумя другими самыми мощными инструментами исследования в физике являются методы эффективной теории и ренормализационной группы, причем оба эти метода включают рассмотрение физических процессов на очень разных масштабах расстояний или энергий. Слово «группа» пришло в эту теорию из математики, хотя его математическое происхождение для нас несущественно.

Слово ренормализация звучит получше. Имеется в виду тот факт, что на каждом интересующем нас масштабе расстояний вы делаете паузу, чтобы решить, что делать дальше. Вы определяете, какие частицы и взаимодействия существенны при определенных интересующих вас в данный момент энергиях. Затем вы совершаете новую нормировку, т. е. новую калибровку каждого параметра теории.

Метод ренормализационной группы использует идеи, напоминающие те, которые были описаны в гл. 2. Там мы обсуждали возможность интерпретации теории более высокой размерности на языке теории меньшей размерности и исследовали двумерную теорию с одним малым свернутым измерением, как будто теория была только одномерной. Сворачивая измерения, мы игнорировали все детали того, что происходило внутри лишних измерений, и предполагали, что все можно описать с помощью меньшего числа измерений. Новой «нормировкой» было четырехмерное описание, которое можно было использовать, если сосредоточиться на изучении больших расстояний.

Очень похожую процедуру можно использовать для построении теории, применимой на больших расстояниях, исходя из теории, работающей на малых расстояниях. Для этого решите, какая минимальная длина вас интересует, и «сотрите» физику, относящуюся к меньшим расстояниям. Один из способов сделать это — взять средние значение тех величин, чьи детали поведения могут отличаться только на меньших расстояниях, которыми мы решили пренебречь. Допустим, вы смотрите на решетку, заполненную серыми точками разных оттенков. Тогда, вы буквально усредняете оттенки более мелких точек, чтобы определить тот оттенок более крупных точек, который будет воспроизводить цветовой эффект.

Ваши глаза делают это автоматически, когда вы смотрите на какое-то размытое изображение.

Если вы способны видеть предметы только с заданным уровнем точности и хотите делать полезные вычисления, связывающие измеримые величины, то вам не требуется знать, что происходит на меньших масштабах. Самый эффективный подход часто включает выбор «размера пикселя» в вашей теории, согласующийся с вашим уровнем точности. Таким путем вы можете, например, пренебречь тяжелыми частицами, которые вы никогда не сможете породить, и короткодействующими взаимодействиями, которые никогда не случаются. Вместо этого вы можете сконцентрировать ваши вычисления на частицах и взаимодействиях, относящихся к той энергии, которую удается достичь.

Однако, если вы знаете более точную теорию, применимую на меньших расстояниях, ее можно использовать для расчета параметров интересующей вас эффективной теории, т. е. эффективной теории с меньшим разрешением. Так же как в примере с серыми точками разных оттенков, когда вы переходите от эффективной теории с короткодействующим разрешением к другой теории с менее точным разрешением, вы по существу меняете «размер пикселя», который вы выбрали для анализа вашей теории. Метод ренормализационной группы говорит вам, как вычислить то влияние, которое могут иметь такие короткодействующие взаимодействия на частицы в вашей дальнодействующей теории. Вы экстраполируете физические процессы от одного масштаба длины или энергии к другому.

Вычисления по методу ренормализационной группы осуществляют эти экстраполяции, учитывая влияние квантово-механических процессов и виртуальных частиц. Виртуальные частицы, являющиеся следствием квантовой механики, — странные, призрачные двойники реальных частиц. Они внезапно возникают и исчезают, существуя в реальности лишь крохотный промежуток времени. Виртуальные частицы подвержены тем же взаимодействиям и обладают теми же зарядами, что и физические частицы, но их энергии кажутся неправильными. Например, очевидно, что движущаяся очень быстро частица обладает запасом энергии. В то же время виртуальная частица может обладать колоссальной скоростью и не иметь энергии. На самом деле виртуальная частица может иметь любую энергию, отличающуюся от энергии, которую имеет соответствующая реальная физическая частица. Если бы она имела такую же энергию, она была бы не виртуальной, а реальной частицей. Существование виртуальных частиц — странное свойство квантовой теории поля, которое следует учитывать, чтобы делать правильные предсказания.

Так как же могут существовать эти кажущиеся невозможными частицы? Виртуальная частица с ее взятой взаймы энергией не могла бы существовать, если бы не соотношение неопределенностей, позволяющее частицам иметь неправильную энергию в течение промежутка времени, настолько короткого, что его никогда нельзя измерить.

Соотношение неопределенностей утверждает, что измерение энергии (или массы) с бесконечной точностью потребовало бы бесконечно долгого времени, и чем дольше живет частица, тем точнее можно осуществить измерение ее энергии. Однако, если частица короткоживущая и ее энергию никак невозможно определить с бесконечной точностью, то энергия может на время отклониться от значения, которым обладает истинная долгоживущая частица. На самом деле, в силу соотношения неопределенностей, частицы будут делать все, что им захочется, так долго, как могут. У виртуальных частиц нет угрызений совести, и они плохо ведут себя всякий раз, когда никто не видит. (Один физик из Амстердама даже предположил, что эти частицы голландцы.)

Вакуум можно представлять себе как резервуар энергии. Виртуальные частицы — это частицы, возникающие из вакуума и на время одалживающие у него часть энергии. Они существуют только одно мгновение, а затем возвращаются обратно в вакуум, унося с собой энергию, которую одолжили. Эта энергия может вернуться на свое первоначальное место, или может быть передана частицам, находящимся в другом месте.

Квантово-механический вакуум — беспокойное место. И хотя вакуум по определению пуст, квантовые эффекты приводят к тому, что он кишит виртуальными частицами и античастицами, которые рождаются и уничтожаются, даже несмотря на то, что стабильные долгоживущие частицы отсутствуют. В принципе могут рождаться любые пары частиц и античастиц, но на очень короткое время, что не позволяет их непосредственно наблюдать. Однако каким бы кратким ни было их существование, мы должны учитывать виртуальные частицы, так как несмотря ни на что они оставляют свои отпечатки на взаимодействиях долгоживущих частиц.

Наличие виртуальных частиц приводит к измеряемым следствиям, так как они влияют на взаимодействия реальных физических частиц, входящих в область взаимодействия и покидающих ее. За краткое время своего существования виртуальная частица может пролететь от одной реальной частицы к другой, прежде чем исчезнуть и вернуть свой энергетический долг вакууму. Таким образом, виртуальные частицы выступают в качестве посредников, влияющих на взаимодействия долгоживущих стабильных частиц.

Например, фотон на рис. 47 (стр. 137), обмен которым порождал классическое электромагнитное взаимодействие, был на самом деле виртуальным фотоном. Его энергия не равнялась энергии реального фотона, но этого и не требовалось. Нужно было всего лишь, чтобы он существовал достаточно долго, чтобы передать электромагнитное взаимодействие и позволить взаимодействовать реальным заряженным частицам.

Другой пример виртуальных частиц показан на рис. 59. Здесь фотон влетает в область взаимодействия, рождается виртуальная электрон-позитронная пара, а затем эта пара поглощается в другом месте. В том месте, где частицы поглощаются, из вакуума возникает другой фотон, который уносит энергию, временно одолженную промежуточной электрон-позитронной парой. Исследуем одно примечательное свойство взаимодействия этого типа.

Интенсивность известных нам взаимодействий зависит от энергий участвующих во взаимодействиях частиц и расстояний между ними, и частично эта зависимость определяется виртуальными частицами. Например, интенсивность электромагнитного взаимодействия меньше, когда два электрона удалены на большее расстояние друг от друга. (Напомним, что это квантово-механическое уменьшение существует дополнительно к классической зависимости электромагнетизма от расстояния.) Следствия, к которым приводят виртуальные частицы и зависимость взаимодействий от расстояния, вполне реальны; теоретические предсказания и эксперименты очень хорошо согласуются друг с другом.

Причина того, что параметры эффективной теории, например интенсивность взаимодействий, зависят от энергий и расстояния между участвующими частицами, вытекает из свойства квантовой теории поля, которое физик Джонатан Флинн шутливо назвал анархическим принципом [119]. Этот принцип следует из квантовой механики, которая утверждает, что все взаимодействия частиц, которые могут случиться, случаются. В квантовой теории поля все, что не запрещено, произойдет.

Назовем путем каждый отдельный процесс, в котором участвует конкретная группа физических частиц. Путь может как включать, так и не включать виртуальные частицы. Если верно первое, будем называть путь квантовым вкладом. Квантовая механика утверждает, что в результирующую интенсивность взаимодействия вносят вклад все возможные пути. Например, физические частицы могут превращаться в виртуальные частицы, которые, в свою очередь, могут взаимодействовать друг с другом и затем превращаться в другие физические частицы. В таком процессе могут вновь возникнуть первоначальные физические частицы или эти частицы могут превратиться в другие физические частицы. И хотя виртуальные частицы не могут долго существовать, что не позволяет нам непосредственно их наблюдать, они влияют на то, как реальные наблюдаемые частицы взаимодействуют друг с другом.

Попытку уберечь виртуальные частицы от участия во взаимодействии можно сравнить с такой ситуацией: допустим, вы поделились секретом с одним вашим приятелем и надеетесь, что этот секрет не достигнет ушей другого вашего приятеля. Вы знаете, что рано или поздно кто-нибудь из «промежуточных виртуальных» приятелей выдаст ваш секрет и расскажет его этому другому приятелю. Даже если вы уже сами рассказали ему, в чем дело, сам факт, что ваши виртуальные приятели обсуждали с ним ваш секрет, будет влиять на его мнение о предмете. На самом деле его мнение будет суммой мнений всех, с кем он разговаривал.

В передаче взаимодействий между физическими частицами играют роль не только прямые взаимодействия между ними, но и непрямые взаимодействия, содержащие виртуальные частицы. Точно так же, как на мнение вашего приятеля оказывают влияние мнения всех разговаривавших с ним, окончательное взаимодействие между частицами есть сумма всех возможных вкладов, включая вклады от виртуальных частиц. Поскольку важность вклада виртуальных частиц зависит от расстояний, интенсивность взаимодействий также зависит от расстояния.

Метод ренормализационной группы дает точные указания, как вычислить вклад виртуальных частиц в любое взаимодействие. Все вклады промежуточных виртуальных частиц суммируются, и это либо усиливает, либо ослабляет интенсивность взаимодействий калибровочных бозонов.

Непрямые взаимодействия играют более важную роль, когда взаимодействующие частицы находятся дальше друг от друга. Большее расстояние аналогично тому, что вы рассказываете свой секрет большему числу «виртуальных» приятелей. Хотя вы не можете быть уверены в том, что каждый отдельный приятель выдаст ваш секрет, но чем большему количеству приятелей вы расскажете его, тем больше вероятность, что кто-то «проколется». Всякий раз, когда существует путь, по которому виртуальные частицы могут дать вклад в полную интенсивность взаимодействия, квантовая механика гарантирует, что это произойдет. При этом величина влияния виртуальных частиц на интенсивность взаимодействия зависит от расстояния, на которое распространяется сила взаимодействия.

Однако реальные вычисления по методу ренормализационной группы еще умнее, так как они также суммируют вклады бесед приятелей друг с другом. Более ясная аналогия со вкладами за счет виртуальных частиц напоминает пути документа, проходящего сквозь большое бюрократическое учреждение. Если человек, находящийся на вершине иерархии, посылает письмо, оно немедленно проходит сквозь учреждение. Но послания кого-то, находящегося на более низком уровне иерархии, будут подвергнуты проверке его начальниками. Если письмо исходит от кого-то, находящегося на еще более низком уровне, оно сначала может быть втянуто в бюрократическую машину и пройти все ее уровни, прежде чем в конце концов достигнет места назначения. В этом случае бюрократы на каждом уровне будут рассылать документ всем работникам своего уровня, прежде чем послать его последовательно на более высокий уровень. Только достигнув верхних эшелонов, документ будет выпущен из учреждения. То послание, которое возникнет в этом случае, будет, вообще говоря, не совпадать с оригиналом, а представлять собой документ, многократно профильтрованный многоэтажной бюрократической машиной.

Если представить себе виртуальные частицы как чиновников, причем чиновник верхнего уровня соответствует виртуальной частице большей энергии, то письмо с высокого уровня будет немедленно передано адресату, а документы с более низких уровней должны будут пройти много стадий. Квантово-механический вакуум — это «бюрократическое учреждение», с которым сталкивается фотон. Каждое взаимодействие изучается промежуточными виртуальными частицами со все меньшей энергией. Как и в бюрократической системе, возможны отклонения на всех уровнях (или расстояниях). Некоторые пути будут обходить бюрократические препоны, создаваемые виртуальными частицами, другие будут включать виртуальные частицы, путешествующие на все более далекие расстояния. Передача информации на все меньшие расстояния (все большие энергии) сталкивается со все меньшим количеством виртуальных процессов по сравнению с теми, которые встречаются на больших расстояниях.

Однако между виртуальными процессами и бюрократическим учреждением имеется существенное различие. В бюрократическом учреждении каждое конкретное послание проходит по своему пути, независимо от того, насколько он сложен. С другой стороны, квантовая механика утверждает, что может существовать много путей. При этом она настаивает на том, что средняя интенсивность взаимодействия равна сумме вкладов от всех возможных путей, которые только могут существовать.

Рассмотрим фотон, распространяющийся от одной заряженной частицы к другой. Так как он может по дороге превращаться в виртуальные электрон-позитронные пары (см. рис. 60), квантовая механика утверждает, что когда-то это произойдет. При этом пути с виртуальными электронами и позитронами влияют на эффективность, с которой фотон переносит электромагнитное взаимодействие.

И это не единственный квантово-механический процесс, который может возникнуть. Виртуальные электроны и позитроны могут сами испускать фотоны, которые, в свою очередь, могут превращаться в другие виртуальные частицы и т. д. Расстояние между двумя заряженными частицами, обменивающимися фотоном, определяет число таких взаимодействий, которые произойдут между фотоном-переносчиком и частицами в вакууме, и то, насколько сильным будет это взаимодействие. Интенсивность электромагнитного взаимодействия — это суммарный вклад многих путей, по которым движется фотон, если принять во внимание все возможные бюрократические окольные пути, т. е. квантово-механические процессы с участием виртуальных частиц на больших или малых расстояниях. Так как число виртуальных частиц, с которыми сталкивается фотон, зависит от проходимого им расстояния, интенсивность взаимодействия фотона зависит от расстояния между заряженными телами, с которыми он взаимодействует.

Как показывают вычисления, если сложить все вклады от всех возможных путей, то вакуум ослабляет тот сигнал, который фотон переносит от электрона.

Интуитивное объяснение ослабления электромагнитного взаимодействия состоит в том, что заряды противоположного знака притягиваются, а заряды одного знака отталкиваются, поэтому в среднем виртуальные позитроны находятся ближе к электрону, чем виртуальные электроны. Поэтому заряды от виртуальных частиц ослабляют полное воздействие исходной электрической силы, создаваемой электроном. Квантово-механические эффекты экранируют электрический заряд. Экранировка электрического заряда означает, что интенсивность взаимодействия между фотоном и электроном уменьшается с расстоянием.

Реальная электрическая сила на больших расстояниях оказывается меньше, чем классическая электрическая сила на малых расстояниях, так как фотон, переносящий взаимодействие на короткие расстояния, чаще выбирает путь, не содержащий виртуальных частиц. Фотону, путешествующему на малое расстояние, не требуется проходить сквозь большое ослабевающее облако виртуальных частиц, как это приходится делать фотону, переносящему взаимодействие на большие расстояния.

Не только фотон, но и все переносящие взаимодействие калибровочные бозоны взаимодействуют по дороге к месту назначения с виртуальными частицами. Пары виртуальных частиц — частица и ее античастица — спонтанно извергаются из вакуума и поглощаются им, что влияет на конечную интенсивность взаимодействия. Эти виртуальные частицы на время устраивают засаду на переносящий взаимодействие калибровочный бозон, изменяя суммарную интенсивность взаимодействия. Вычисления показывают, что, как и в случае электромагнитного взаимодействия, интенсивность слабого взаимодействия уменьшается с расстоянием.

Однако виртуальные частицы не всегда навешивают тормоза на взаимодействия. Как это ни удивительно, иногда они могут помочь усилить их. В начале 1970-х годов Дэвид Политцер, который был тогда аспирантом Сидни Коулмена в Гарварде (который и предложил Политцеру задачу), и независимо Дэвид Гросс и его студент Фрэнк Вильчек (оба из Принстона), и, наконец, Герард ’т Хоофт из Голландии проделали вычисления, показавшие, что сильное взаимодействие ведет себя полностью противоположным образом по сравнению с электромагнитным взаимодействием. Вместо экранирования сильного взаимодействия на больших расстояниях и тем самым его ослабления, виртуальные частицы на самом деле усиливают взаимодействия глюонов (частиц, переносящих сильное взаимодействие), так что сильное взаимодействие на больших расстояниях оправдывает свое название. Гросс, Политцер и Вильчек получили Нобелевскую премию по физике 2004 года за глубокое проникновение в суть сильного взаимодействия.

Ключ к этому явлению — поведение самих глюонов. Большое различие между глюонами и фотонами заключается в том, что глюоны взаимодействуют друг с другом. Глюон может влететь в область взаимодействия и превратиться в пару виртуальных глюонов, которые будут оказывать влияние на интенсивность взаимодействия. Эти виртуальные глюоны, как и все виртуальные частицы, существуют только краткий миг. Но их влияние накапливается с ростом расстояния, пока сильное взаимодействие не становится действительно необычайно сильным. Результат вычислений показывает, что виртуальные глюоны чрезвычайно усиливают интенсивность сильного взаимодействия, когда расстояния между частицами растут. Сильное взаимодействие намного сильнее тогда, когда частицы достаточно далеки друг от друга, а не тогда, когда они находятся рядом друг с другом.

По сравнению с экранировкой электрического заряда, рост интенсивности сильного взаимодействия с расстоянием противоречит интуиции. Как так может получиться, что взаимодействие становится сильнее, когда частицы находятся дальше друг от друга? Большинство взаимодействий ослабевает с расстоянием. На самом деле, чтобы доказать это, нужно проделать вычисления, однако можно привести и примеры такого поведения в окружающем мире.

Допустим, некто посылает в бюрократическое учреждение письмо, важность которого какой-то менеджер среднего звена просто не понимает. В этом случае менеджер может раздуть то, что было обычной памятной запиской, в критически важную директиву. Как только менеджер среднего звена модифицировал письмо, оно стало оказывать намного большее влияние, чем то, которое возникло бы, если бы автор письма передал его непосредственно адресату.

Другим примером, показывающим, что взаимодействия на больших расстояниях могут быть сильнее взаимодействий на малых расстояниях, может служить Троянская война. Согласно Илиаде, Троянская война началась после того, как троянский царевич Парис решил сбежать вместе с Еленой, женой спартанского царя Менелая. Если бы Менелай и Парис сразились друг с другом за право обладать Еленой до того, как Парис и Елена сбежали в Трою, война между греками и троянцами могла бы закончиться до того, как она превратилась в эпос. Но поскольку Менелай и Парис оказались далеко друг от друга, они взаимодействовали со многими людьми и собрали большие силы, участвовавшие в очень кровопролитных греко-троянских битвах.

Как ни удивительно, рост сильных взаимодействий с расстоянием достаточен для объяснения всех характерных свойств сильных взаимодействий. Это объясняет, почему сильное взаимодействие столь сильно, чтобы удерживать кварки связанными внутри протонов и нейтронов, и кварки, захваченные струями: сильное взаимодействие растет на больших расстояниях до момента, когда испытывающая его частица не может быть удалена слишком далеко от других сильновзаимодействующих частиц. Фундаментальные сильновзаимодействующие частицы, например кварки, никогда не обнаруживаются в изоляции.

Достаточно удаленные друг от друга кварк и антикварк запасли бы колоссальное количество энергии, настолько большое, что было бы энергетически выгоднее создать дополнительные физические кварки и антикварки между исходными, чем сохранить их изолированными. Если бы вы попробовали раздвинуть кварк и антикварк еще дальше друг от друга, из вакуума стали бы рождаться новые кварки и антикварки. Это напоминает автомобильное движение в городе Бостоне. Вам никогда не удастся двигаться так, чтобы промежуток между вашей машиной и машиной спереди превышал длину машины, так как этот промежуток тут же занимает какая-то машина из соседней полосы. Так и новые кварки и антикварки будут болтаться вблизи исходных, так что ни один отдельный кварк или антикварк не станет более изолированным, чем в начале, — рядом всегда найдутся другие кварки и антикварки.

Так как сильное взаимодействие на больших расстояниях столь велико, что оно не позволяет сильновзаимодействующим частицам изолироваться друг от друга, частицы, несущие сильный заряд, всегда оказываются окруженными другими заряженными частицами, образуя нейтральные по отношению к сильному взаимодействию комбинации. Поэтому мы никогда не наблюдаем изолированные кварки. Наблюдаются только сильно связанные адроны и струи.

В предыдущем разделе мы рассказали о зависимости сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий от расстояния. В 1974 году Джорджи и Глэшоу высказали смелое предположение, что все эти три взаимодействия изменяются с расстоянием и энергией так, что при высокой энергии они объединяются в единое взаимодействие. Авторы назвали свою теорию ТВО (аббревиатура теории Великого объединения). Поскольку симметрия сильного взаимодействия меняет местами три цвета кварков (как обсуждалось в гл. 7), а симметрия слабого взаимодействия меняет местами разные пары частиц, симметрия ТВО действует и меняет местами все типы частиц Стандартной модели — кварки и лептоны.

Согласно теории Великого объединения Джорджи и Глэшоу, на ранней стадии эволюции Вселенной, когда температура и энергия были экстремально большими (температура превышала сто триллионов триллионов (10²⁶) градусов, а энергия была больше тысячи триллионов (10¹⁵) ГэВ), интенсивность каждого из трех взаимодействий была одинаковой, и все три негравитационные силы сливались в единую «Силу».

В процессе эволюции Вселенной температура падала, и единое взаимодействие расщепилось на три отдельных взаимодействия, каждое со своей зависимостью от энергии, следуя которой они эволюционировали в известные нам сейчас три негравитационных взаимодействия. Хотя изначально взаимодействия были единой силой, из-за разного влияния на каждое из них виртуальных частиц они завершили эволюцию с очень разными интенсивностями при низких энергиях.

Три взаимодействия похожи на тройню, родившуюся из одного оплодотворенного яйца, но выросшую и превратившуюся в трех довольно разных личностей. Один член тройни мог бы быть панком-рокером с выкрашенными волосами, закрученными в виде острых пичков, другой — морским пехотинцем, подстриженным под бобрик, а третий — художником с длинным конским хвостом. Тем не менее все имеют одинаковую ДНК, и в младенчестве их было трудно отличить друг от друга.

В ранней Вселенной три взаимодействия также были неразличимыми. Но они расщепились за счет механизма спонтанного нарушения симметрии. Точно так же, как механизм Хиггса расщепил электрослабую симметрию, оставив ненарушенным только электромагнитное взаимодействие, этот же механизм разрушил симметрию ТВО, оставив три отдельных взаимодействия, которые мы сейчас наблюдаем.

Единая интенсивность взаимодействия при большой энергии есть необходимое условие ТВО. Это означает, что три графика, представляющие интенсивность взаимодействия как функцию энергии, должны обязательно пересечься при одной и той же энергии. Но мы уже знаем, как зависят от энергии интенсивности трех негравитационных сил. Поскольку квантовая механика утверждает, что большое расстояние эквивалентно малой энергии, а малое расстояние — большой[120], результаты предыдущего раздела можно с равным успехом интерпретировать в терминах энергии. При низких энергиях электромагнитные и слабые взаимодействия менее сильны, чем сильное взаимодействие, но с ростом энергий они усиливаются, в то время как сильное взаимодействие ослабевает.

Иными словами, интенсивности всех трех негравитационных взаимодействий становятся все более сравнимыми при больших энергиях. Постепенно они должны сходиться к единой интенсивности. Это означало бы, что три линии, представляющие интенсивность взаимодействий как функцию энергии, пересекаются при высоких энергиях.

Две линии, пересекающиеся в одной точке, — не слишком удивительный результат, такое должно произойти, когда линии сближаются друг с другом. Но три линии, встречающиеся в одной точке, — это либо поразительное совпадение, либо свидетельство чего-то более значимого. Если взаимодействия действительно сливаются, их единая интенсивность может быть указанием на то, что при больших энергиях существует лишь один тип сил, и в этом случае мы будем иметь единую теорию.

Хотя до сего дня объединение взаимодействий остается гипотезой, если оно окажется верным, то станет решающим скачком к более простому описанию природы. Так как принципы объединения столь захватывающи, физики изучают интенсивность трех взаимодействий при больших энергиях, чтобы убедиться, сходятся они или нет. Если вернуться в 1974 год, никто тогда не измерял интенсивности трех негравитационных взаимодействий с очень большой точностью. Говард Джорджи, Стивен Вайнберг и Хелен Куинн (она была в те годы постдоком без оклада в Гарварде, а сейчас работает в Станфордском центре линейного ускорителя и является президентом Американского физического общества) использовали доступные в те годы неточные измерения и провели вычисления методом ренормализационной группы, чтобы экстраполировать интенсивность взаимодействий к большим энергиям. Они обнаружили, что три линии, представляющие интенсивности негравитационных взаимодействий, похоже, действительно сходятся в одну точку.

Знаменитая статья Джорджи — Глэшоу 1974 года о теории Великого объединения начинается словами: «Мы представляем ряд гипотез и догадок, неизбежно приводящих к выводу… что все взаимодействия элементарных частиц (сильное, слабое и электромагнитное) являются проявлениями одного и того же фундаментального взаимодействия, содержащего единственную константу связи. Наша гипотеза может оказаться неверной, а догадки неубедительными, но однозначность и простота нашей схемы — достаточные причины, чтобы рассматривать ее серьезно». Возможно, это были не самые скромные слова. Однако Джорджи и Глэшоу на самом деле и не думали, что однозначность и простота — достаточные основания для того, чтобы считать, что их теория правильно описывает природу. Они хотели также получить экспериментальное подтверждение.

Хотя требовалось колоссальное усилие воображения, чтобы экстраполировать Стандартную модель на энергию, в десять триллионов раз большую, чем используемая, ученые осознали, что их экстраполяция имеет^проверяемое следствие. В своей статье Джорджи и Глэшоу объяснили, что их ТВО «предсказывает, что протон распадается», и экспериментаторы должны попробовать проверить это предсказание.

Единая теория Джорджи и Глэшоу предсказывает, что протоны не живут вечно. После очень долгого промежутка времени они должны распадаться. В рамках Стандартной модели такое не может случиться никогда. Обычно кварки и лептоны различаются по взаимодействиям, которые они испытывают. Но в теории Великого объединения все взаимодействия по сути одинаковы. Таким образом, так же как u-кварк может превратиться в d-кварк за счет слабого взаимодействия, кварк должен быть способен превратиться в лептон за счет единого взаимодействия. Это означает, что если идея ТВО верна, общее число кварков во Вселенной не должно оставаться неизменным, а кварк может превращаться в лептон, порождая распад протона — частицы, составленной из трех кварков.

Так как протон может распадаться в рамках ТВО, связывающей кварки и лептоны, вся знакомая нам материя является в конце концов нестабильной. Однако вероятность распада протона очень мала — его время жизни намного превышает возраст Вселенной. Это означает, что даже такое яркое событие, как распад протона, имеет мало шансов быть зарегистрированным, так как оно происходит слишком редко.

Чтобы получить свидетельства распада протона, физики должны соорудить очень большие установки и провести на них долго длящиеся эксперименты, в которых изучается огромное число протонов. В этом случае, даже если каждый отдельный протон распадается неохотно, большое число протонов резко увеличит шансы, что эксперимент сможет зарегистрировать распад одного из них. Даже если вероятность выиграть в лотерею очень мала, она станет намного большей, если вы купите миллионы билетов.

Физики действительно построили такие большие многопротонные экспериментальные установки, в том числе установку Ирвин/Мичиган/Брукхейвен (ИМБ), расположенную в шахте Хоумстейк в Южной Дакоте, и установку Камиоканде — цистерну с водой и детекторы, спрятанные под землей на километровой глубине в Камиока, Япония. Хотя распад протона — исключительно редкий процесс, эти эксперименты уже должны были подтвердить его существование, если ТВО Джорджи — Глэшоу верна. К сожалению, несмотря на честолюбивые замыслы, никто пока что не сумел обнаружить такой распад.

Это не означает, что объединение взаимодействий исключается. На самом деле, благодаря более точным измерениям взаимодействий, мы знаем теперь, что исходная модель, предложенная Джорджи и Глэшоу, почти наверняка неверна, и объединить взаимодействия может только расширенная версия Стандартной модели. Оказывается, что в таких моделях предсказывается более долгое время жизни протона, так что до сих пор распад протона и не должен был быть обнаружен.

Сегодня мы на самом деле не знаем, является ли объединение взаимодействий истинным свойством природы, или, если это так, то что оно означает. Вычисления показывают, что объединение может происходить в нескольких моделях, о которых я поговорю ниже, включая суперсимметричные модели, модели с дополнительными измерениями Хоржавы — Виттена, и модели с закрученными дополнительными измерениями, которые развивали Раман Сундрум и я. Модели с дополнительными измерениями особенно занимательны, так как они могут привести в общее стадо гравитацию и действительно объединить все известные взаимодействия. Эти модели также важны потому, что в исходных моделях объединения предполагалось, что в области выше масштаба слабых взаимодействий могут быть найдены только новые частицы с массами, имеющими массы порядка масштаба ТВО[121]. Новые модели показывают, что объединение может произойти даже в том случае, если существует много новых частиц, которые могут рождаться при энергиях выше масштаба слабых взаимодействий.

Однако, как ни восхитительна идея объединения взаимодействий, физики в наше время разделились во мнениях о ее теоретических достоинствах согласно тому, предпочитают ли они в физике подход «сверху вниз» или «снизу вверх». Идея ТВО воплощает подход «сверху вниз». Джорджи и Глэшоу сделали смелое предположение об отсутствии частиц с массой между тысячью ГэВ и тысячью триллионов ГэВ и построили гипотетическую теорию, основанную на этом предположении. Великое объединение было первым шагом к началу споров среди физиков-частичников, которые продолжаются сейчас в отношении теории струн. Обе теории экстраполируют физические законы от измеряемых энергий до энергий, по меньшей мере в десять триллионов раз больших. Позднее Джорджи и Глэшоу усомнились в отношении подхода «сверху вниз», который представляют теория струн и поиск Великого объединения. С тех пор они развернули свой курс и сейчас сосредоточились на низкоэнергетической физике.

Хотя единые теории имеют ряд привлекательных черт, я не уверена, приведет ли их изучение к правильным взглядам на природу. Энергетическая щель между тем, что мы знаем, и тем, куда мы экстраполируем, чудовищно велика, и можно вообразить кучу возможностей того, что может случиться между этими значениями. В любом случае, пока распад протона не будет обнаружен (если это вообще когда-нибудь произойдет), будет невозможно с уверенностью установить, действительно ли взаимодействия объединяются при высокой энергии. До тех пор теория остается в области великой, но теоретической, догадки.

• Виртуальные частицы — это частицы, имеющие те же заряды, что и реальные физические частицы, но с энергиями которых не все в порядке.

• Виртуальные частицы существуют лишь очень короткое время; они постоянно одалживают энергию у вакуума — состояния Вселенной без частиц.

• Квантовые вклады в физические процессы возникают от виртуальных частиц, взаимодействующих с реальными частицами. Эти вклады от виртуальных частиц влияют на взаимодействия реальных частиц за счет рождения и уничтожения, и действуют как посредники между реальными частицами.

• Анархический принцип утверждает, что при рассмотрении свойств частиц всегда должны учитываться квантовые вклады.

• В единой теории единственное взаимодействие при больших энергиях превращается в три известных негравитационных взаимодействия при низких энергиях. Чтобы три взаимодействия объединились, они должны иметь при высоких энергиях одну общую интенсивность.