Бозоны-сознания и фермионы-вещей. Жизнь после Хиггса

11 ноября 2012
от

Примечание публикатора

Публикую прелюбопытнейшую лекцию  прочитанную доктором физико-математических наук, ведущим научным сотрудником Отделения теоретической физики Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), переводчиком, членом жюри премии «Просветитель» Алексеем Семихатовым 9 сентября 2012 года в рамках цикла «Публичных лекций «Полит.ру». Точнее выдержки из неё. Впрочем есть и полное видео.

Учитывая то, что аудитория моего сайта в основном гуманитарная, возникает вопрос — а зачем я здесь о бозоне Хиггска.  Только ли из за того, чтобы удовлетворить любопытство тех,  кто в этом ничего не понимает.  Или может быть из за того, чтобы торпедировать бесконечные публикации о возможности создания черной дыры, которая засосет всех нас, или, напротив, о возможности  путешествия во времени. Истинно — «Сон разума рождает чудовищ», и этих чудовищ не так просто победить логикой. Смысл публикации в другом.

Физика, исследую природу на самом фундаментальном уровне — элементариев, тем не менее мыслит в рамках общечеловеческих представлений о картине Мира. Суть их в том, начиная от Аристотеля и  Ньютона,  считается что Мир устроен правильно и единообразно, несмотря на то что по мере углубления в суть вещей «неправильность» и «неединообразность» только множатся. Поэтому всякая его неправильность воспринимается как вызов человеческому мышлению. Именно по этому существуют теории, примеряющие видимую неправильность, а точнее несоответствие нашей уверенности: Мир должен быть таким,  каков он есть «на самом деле». Вот поэтому физика на самом фундаментальном уровне и вскрывает  эти несоответствия и пытается преодолеть их. И, чудо — на основе этого создаются новые вещи, новые инструменты, новые форматы нашего существования, а несоответствия только множатся.

Гуманитарные науки, исследую природу на верхнем уровне — человека и общества, как будто и не претендуют на понимание конструкции мироздания, однако наивно полагают, что знают то, что происходит в человеческом обществе, без знания природы на ее фундаментальном уровне. Типа того, что устройство микромира, никакого отношения к устройству макромира не имеет. Гуманитарии искренне считают, что от того есть ли на самом деле бозон Хиггса или нет его, ничего в знании общества и человека не поменяется.

Нечестно наверное упоминать здесь уже существенно повлиявшие на гуманитарное знание концепции, заимствованные из теоретической физики и математики, но все же упомяну: принцип неопределенности, принцип дополнения, теорема неполноты Геделя и т.п. Я уже давно сам в этих самых правильно-неправильных гуманитарных науках, дрейфовав сюда из ядерной физики. Но мне кажется, что я не потерял связь с необходимостью понимания микромира, на основании которой и пытаюсь размышлять о макромире, абсолютно не допуская даже возможности какой-либо редукции, и попыток объяснения макропроцессов фундаментальными законами физики. Тем не менее я не устаю повторять, что устройство мироздания адекватно устройству мышления, и стало быть нашему видению «как бы» и «на самом деле реальности», хотя в существовании последней я глубоко сомневаюсь.

Вся наука, и гуманитарная и естественная  сегодня подобна коту Шредингера, одновременно и жива и мертва. Как эту двойственность принять гуманитариям — не знаю.

Александр А.Калмыков

Жизнь после Хиггса

 

Бозон Хиггса примиряет непримиримое: два наблюдения, которые верны одновременно. И я сейчас поясню точнее, что это значит: мир симметричен — и мир не симметричен. То, что мир симметричен, как я уже сказал, вообще позволяет нам ориентироваться. Модное слово: паттерны. Люди склонны искать паттерны, и вообще нам нужны паттерны в жизни! Ну, хотя бы имена, лица людей, какие-то распознавания образов – вот на слайде прекрасный пример того, что люди ищут паттерны даже там, где их нет: на самом деле на небе ничего не нарисовано.

А здесь картина прямо противоположная. Это хаос, он неприятен не только тем, что здесь погибли люди, он неприятен полным лишением содержания. С другой стороны – вот абсолютно идеальный орнамент, повторяющийся абсолютно одинаково. Но если бы Вселенная была устроена в виде бесконечного повторения одной и той же ячейки, мы бы умерли со скуки.

Совершенно ясно, что нас гораздо больше радуют ситуации, когда, с одной стороны, симметрия есть, а с другой стороны – она не тупая, не банальная, она нарушается, из какого-то орнамента вырастает жизнь, вырастает что-то интересное и достойное внимания. Вроде бы, не сильно отличающееся от фона, однако вполне себе содержательное, как на этих двух картинках. Это была самая интересная часть моей лекции, дальше будет чистая физика.

Ну, в физике, собственно, как в анекдоте про бабочек, примерно так же всё и обстоит. Вот перед вами этакая диаграмма Венна, мы не будем вникать во все эти надписи, тем более что их плохо видно. В чём здесь идея? Имеются четыре взаимодействия: всё, что нас окружает, вообще всё, участвует в четырёх видах взаимодействия. Одно из них, за неимением лучшего названия, назвали сильным взаимодействием, оно ответственно за ядерный взрыв, вот когда сильно бабахает – это сильное взаимодействие. Есть ещё слабые взаимодействия, они страшно важны, они ответственны за радиоактивные распады. Электромагнитные взаимодействия, благодаря которым вы меня слышите через микрофон, да и, собственно, видите. Ну, и гравитационные взаимодействия – это то, благодаря чему мы не улетаем в космос: всё падает, всё притягивается, Земля летает вокруг Солнца и так далее.

О гравитационных я не буду говорить вовсе; все остальные взаимодействия – три: сильные, слабые и электромагнитные – это то, что лежит в основе мира. При этом первый паттерн, который мы сейчас наложим на мир, – это то, что мир состоит из материи и из частичек, переносящих взаимодействие. Вот электромагнитные волны – это фотоны – это не частицы материи, а то, что переносит взаимодействие. Кстати, отвлекаясь от картинок, я хочу сказать, что слово бозон – оно чисто техническое – из моего фонарика сейчас вылетает огромное множество бозонов! От Солнца прилетает несметное количество бозонов. Их можно было бы, несколько условно, назвать бозонами Максвелла-Эйнштейна – это по поводу объяснения слов «бозон Хиггса». Вообще все частицы делятся на два класса: бозоны и фермионы. И бозоны как раз занимаются тем, что переносят взаимодействия.

Итак, всё сделано из двух типов частиц: переносчиков взаимодействия и собственно материи. Это устройство мира, которое помещается на одной страничке. Здесь нарисованы кварки, из кварков сложены протоны и нейтроны, здесь нарисованы электроны, ну, и ещё их некие копии, которые по каким-то причинам существуют, но для нас с вами совершенно не важны: мы из них не сложены, но они несомненно где-то присутствуют. Часто говорят, что вся эта физика помещается на футболке. Действительно, каждый может заказать в интернете вот такую футболку, к которой я приделал свою голову, — и тогда вы будете точно знать, из чего вообще состоит весь мир. Хиггсовского бозона здесь, кстати, ещё пока нет; надо узнать, обновили ли они уже эти футболки, выпустили ли они уже футболки с хиггсовским бозоном?

Сейчас я нарисую ту же самую табличку, только положу её набок, чтоб было удобнее подписать: вот бозоны, которые переносят взаимодействия, а вот фермионы, которые являются материей. Это два типа частиц с абсолютно противоположными свойствами. Вот эта диаграммка внизу – самая главная картинка того, о чем я хочу сегодня сказать: это частички с противоположными свойствами.

Бозоны, которые красные, ужасно любят кучковаться вместе. Если бы вы были бозонами, вы бы все сидели на одном кресле. Все без исключения! Не спрашивайте как – таковы свойства бозонов в квантовой механике. Они группируются намного более тесно, чем каждый из нас может себе это представить. Фермионы же – индивидуалисты – это очередь людей, каждый из которых сильно неприятен другим, – они поддерживают некоторое расстояние и даже не дышат друг другу в затылок! Благодаря этому существует мир. Если бы вот эти электроны, которые у нас показаны синим цветом (фермионы), были бы бозонами, то было бы ужасно: они бы все сидели на самой близкой к ядру орбите. И не было бы различных свойств физических элементов, не было бы нас с вами! Не из чего было бы создать всё, что нас окружает.

Мир существует благодаря тому, что фермионы терпеть не могут друг друга. А бозоны – это частички, которые переносят взаимодействия. Фотоны, переносящие электромагнитное взаимодействие, совершенно не жалуются на перенаселённость, летят к нам от Солнца, например. Переносчики слабого взаимодействия называются W-бозоны – человеческие названия быстро кончаются, кто-то когда-то обозначил эти частицы на бумаге как W и Z, так стали и говорить.

Какую же проблему решает Хиггс? А вот какую: Переносчики взаимодействий, то есть эти бозоны, должны быть безмассовыми, они должны иметь нулевую массу. Но любой экспериментатор скажет вам, что в природе это не так, ну и, собственно, есть масса косвенных причин, по которым видно, что это не так.

Вы наверняка потребуете от меня пояснения, что значит — должны в применении к элементарным частицам, которые ничего о нас не знают? Смотрите: когда взаимодействуют два фермиона, они обмениваются бозонами. Например, кварки, из которых созданы атомные ядра, обмениваются друг с другом другими частичками-бозонами, которые называются глюоны, которые не дают им разлететься, склеивают их страшно сильно. И вот проблема: как только вы решаете узнать: вот этот электрон здесь и вот тот электрон там – обмениваются ли они друг с другом фотонами, сколькими фотонами обмениваются? Одним? Двумя? Тремя? Что происходит с этими фотонами по дороге? Они обмениваются ими, как хотят, они выпускают их столько, сколько угодно? И каждый раз, когда вы пытаетесь в теоретической физике получить ответ на простой и безобидный вопрос: с какой вероятностью случится вот это, или какова будет сила притяжения вот этого к этому, вы делаете вычисление – и получаете в ответе бесконечность. Это связно с тем, что фермионы могли обменяться друг с другом любым, сколь угодно большим, числом переносчиков взаимодействия. Теоретическая физика последних 70 лет – это практически непрерывная борьба с бесконечностями. Вы вроде бы имеете понятную теорию, которая должна вам помочь объяснить и предсказать свойства мира. Вы делаете вычисления – и получаете дурацкий, бессмысленный, бесконечный ответ на самые простые вопросы.

Бесконечность получается снова и снова, от неё никуда не деться. Вот, кстати, иллюстрация к распаду Хиггса: здесь может быть сколько угодно глюонов “по дороге”, да еще эти испущенные глюоны могут сами кого-то родить. Вы должны сложить все эти возможности, а ведь их бесконечное количество. Борьба с этими бесконечностями обсуждалась в одной из серий “Теории Большого взрыва”, может быть, даже в нескольких сериях (я знаю, здесь в аудитории сидит эксперт по “Теории Большого взрыва”).

Итак, эта борьба с бесконечностями с помощью перенормировки – это очень важная вещь. Придуман способ, который позволяет убрать эти бесконечности таким образом, что остаётся конечный, точный, абсолютно осмысленный ответ, причём этот ответ проверяется экспериментально, как ничто другое в науке. Точность экспериментальной проверки квантовой электродинамики на несколько порядков превосходит все остальные проверки, которые когда-либо были сделаны. Люди научились устранять бесконечности, но только для высокосимметричных теорий, для специального класса теорий, который мы придумали и в которых умеем получать отличные конечные ответы.

В этих теориях, однако, переносчики взаимодействий должны иметь нулевую массу.

Вот я и объяснил, что значит «должны», но продемонстрировал при этом потрясающую наглость: ведь может быть, это мои мозги ограничены, я не могу придумать другую теорию, которой на самом деле управляется мир. Я изобрёл способ борьбы с бесконечностями только в определённом классе теорий и довольно самонадеянно хочу, чтобы мир действительно описывался этими теориями. А мир не хочет.

Итак, если я в этот замечательный прекрасный класс теорий пытаюсь руками внести массу и сказать: Ага! Пусть они у меня несут такую массу, которая наблюдается в эксперименте. Однако при этом ничего не получается. Теория теряет смысл. Та теория, которая осмысленна, – нереалистична, попытки сделать теорию реалистичной – лишают её всякого смысла. Она теряет предсказательную силу и становится каким-то дурацким изобретением, не имеющим никакого отношения к реальности.

Развитие науки привело к тому, что это положение люди стали считать не своей проблемой, не проблемой своих мозгов, а проблемой мироздания. Выход найден был следующим образом: нужно допустить существование того, что никогда не наблюдалось, и что, более того, имеет странные свойства. Это была цена снятия этого противоречия. Нужно допустить существование ещё одного поля, ещё одной частицы – Хиггса, конечно! – которая взаимодействует со всеми другими полями и имеет очень необычное выражение для энергии. Нельзя спрашивать почему: когда-то Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения; он не мог ответить на вопрос “почему”, но с тех пор с помощью этого закона мы не только рассчитываем затмения Луны, которые выполняются гораздо точнее, чем расписание электричек, мы посылаем космические корабли, мы хорошо знаем, как всё летает в Солнечной системе, рассчитываем это с фантастической точностью, и за прошедшие 300 лет мы (почти) перестали задавать вопрос “почему”.

Разрешение противоречия с массами требует от нас бозона Хиггса. Принять то, чего никогда не наблюдалось! Математическая игрушка? Я сказал, что у бозона Хиггса странное выражение для энергии; иллюстрацией этого является утверждение о том, что бозон Хиггса является бозоном “бутылки шампанского”. Если вы когда-нибудь разглядываете бутылки, то вы знаете, что бутылки шампанского, впрочем, и некоторые другие тоже, имеют донышко вот такой интересной формы, как нарисовано здесь внизу. У всех остальных частиц, которые когда-либо наблюдались до этого, донышко – это такой вот тазик. “Донышко” — очень условное слово; здесь написано: энергия частицы, энергия поля в зависимости от его (поля) величины. Ну, самое маленькое поле имеет самое маленькую энергию. Что ж тут странного?! Увеличиваю поле, двигаюсь вдоль одной из этих осей – энергия растёт, я получаю такую чашу.

Хиггс устроен не так, и не спрашивайте почему. Такое выражение для его энергии написали, почти на коленке, 6 человек, одним из которых был Питер Хиггс. В честь их всех бозон Хиггса назвали именем Хиггса. Это уже неплохо, потому что могли бы назвать именем человека, который не имеет к этому никакого отношения, такое в науке встречается очень часто.

Итак, если я после того, как расправлюсь с бутылкой, начну вот так кидать металлический шарик точно в центр дна, то согласитесь, что исключительно маловероятно, чтобы шарик остался лежать точно на этом месте, то есть на самой верхушке: он обязательно куда-то скатится. Бутылка симметрична относительно вращений? Да! (Мир симметричен.) Но шарик скатится куда-то под воздействием флуктуации, которая находится вне моего контроля. Он скатится куда-то и выберет себе какое-то место в этой ложбинке. (Мир не симметричен.)

Бозон Хиггса выбрал для себя что-то несимметричное в симметричном мире. Часто приводят еще такую аналогию: представьте себе, что вы сели за большой круглый стол, накрытый на много персон. Перед вами прибор и салфетка, и вы не очень знаете, какую салфетку выбрать — справа от вас или слева, и выбираете, например, справа. После этого человек, сидящий справа от вас тоже должен выбрать салфетку справа, потому что левая салфетка уже занята. Таким образом вы немедленно переиначиваете устройство мира этого большого круглого стола, сделав один жест. Первый же севший делает один-единственный выбор, не оставляя другим никаких шансов. Примерно то же делает Хиггс, когда скатывается куда-то в своём потенциале. Имея такой потенциал (это называется потенциал — вот эта вот энергия), поле Хиггса спонтанно (это ещё одно научное слово здесь) выбирает себе какое-то положение. Таким-то образом, не нарушая основы симметрии мира, мы, тем не менее, можем как бы её нарушить. Этот выход из положения выражается словами мягкое нарушение симметрии; мир остается “в общем симметричным”, но частицы делаются массивными.

Это математическое упражнение было проделано в середине 60-х годов, и некоторое время математическим упражнением и оставалось. Прошло 50 лет колоссальных исследований на переднем крае вообще всего, что можно, в том числе и вычислительной техники, и экспериментальной науки, и изучения повадок этого самого Хиггса. Вот его-то теперь и нашли. Он есть вещь, изобретённая на бумаге, как игра ума, не требующая ничего, кроме ручки и листка. А это донышко, по-существу, — школьная кривая, биквадратная парабола. И вдруг оказалось, что он существует в природе. Это то, что меня изумляет в Хиггсе больше всего.

Что дальше? Что ещё, быть может, удастся найти, куда дальше нас поведут коллайдер и другие приборы подобного рода? Следующий номер нашей программы — Волшебное Зеркало.

Когда мы смотримся в зеркало, мы понимаем, что там не совсем мы. Это видно, когда мы смотрим не в зеркало, а смотрим видео, где мы сняты. Мы удивляемся тому, что мы на самом деле выглядим не как в зеркале. Тем не менее, зеркало обладает таким свойством: оно, в общем, ничего нового не добавляет и, в частности, если мы представим себе, что в каком-то смысле то, что отражено в нём, материально, то, отразившись второй раз, мы снова получим самих себя. Мы совершенно не сомневаемся в том, что вот это вот такая операция, которая один раз что-то меняет, а потом меняет обратно: применяем двойное зеркало — и оно отражает нас обратно в нас же самих.

Предположим, что в мире имеется “зеркало”, за которым находится ещё один мир, в котором частицы в некотором смысле симметричны всему, что мы наблюдаем, но только это очень и очень странное зеркало, например, при обратном отражении мы не получаем ровно то же, с чего мы начали. Это зеркало называется суперсимметрией, и это то, что, быть может, будет следующей новостью с коллайдера — а может быть, и не будет; собственно, на эту тему делаются ставки, существенно более серьёзные, чем одна бутылка шампанского или даже чем ящик шампанского.

Как устроено это зеркало? Мы живём в пространстве, у которого есть три измерения. Каждая точка в пространстве определяется тремя числами. Любой из вас скажет мне: выберите вот этот угол в качестве начала отсчёта и отсчитайте 2 метра вправо, 70 см вверх и 33 см в глубину – там будет точка! Каждая точка – это три числа. Мы с вами живём в пространстве, которое состоит из точек, нумеруемых числами, причём тремя. Свойство трёхмерности этого пространства означает, что чисел нужно ровно три, не больше и не меньше.

Наше пространство состоит из точек: это то, где мы живём, это по нашу сторону моего волшебного зеркала. Вот здесь — школьные формулы, говорящие о том, что если я начинаю мои три числа попарно перемножать, то всё равно, в каком порядке их умножать друг на друга. А за волшебным зеркалом существует то, что называется суперпространство. Это пространство, в котором нечто подобное числам есть, а точек нет. Нельзя задать разные точки, они не задаются тремя числами. Это пространство может иметь измерения, но у него одна единственная точка. Это математический курьёз, я чуть подробнее попозже скажу о том, как он был открыт — кстати говоря, в Москве. “Числа”, которые исполняют здесь роль координат, обладают странным свойством: если вы перемножите в прямом порядке, а потом перемножите в обратном порядке, то результаты этих двух действий будут различаться знаком.

А дальше выясняется, что по математическим причинам наше с вами обычное пространство – это бозонное пространство, его свойства – это те свойства, которыми обладают бозоны. А странное пространство без точек по математическим причинам тяготеет к тому, чтобы описывать фермионы. Идеи эти зародились в середине 70-х годов в Москве. Её открыли два человека, один из которых, Е. Лихтман, был аспирантом Юрия Абрамовича Гольфанда, а тот работал ровно в том же институте, где я работаю сейчас, – в теоретическом отделе Физического института Российской академии наук. Правда, через год или два после открытия суперсимметрии его уволили – он переживал некий кризис в жизни, был “недостаточно продуктивен”, и т. д.

Он сделал гениальное открытие, которое оставалось без внимания, пока к нему не вернулись, когда та же суперсимметрия была переоткрыта в Европе. И вот тогда наступил настоящий бум! Все стали изучать “волшебное зеркало” – суперсимметрию. В физические модели стали встраивать суперсимметрию; каково бы ни было содержание вашей теории – электроны, фотоны, глюоны, кварки – вы удваиваете мир и говорите, что у каждой из этих частиц есть суперпартнер, находящийся за волшебным зеркалом. И главное: оказывается, то, что находится по разные стороны от моего волшебного зеркала, производит бесконечности с разными знаками. Одно производит бесконечности с плюсом, другое – с минусом. Эти бесконечности имеют сильную тенденцию сокращаться, они уничтожают друг друга, пожирают. И бозоны, и фермионы по отдельности ведут себя плохо. Но когда вы берёте их вместе и настаиваете на том, чтобы между ними было нечто подобное отражению, выясняется, что мир устроен гораздо лучше, чем вы могли бы на это рассчитывать. Вы получаете осмысленные ответы куда проще.

В течение последних 30-40 лет быстро развивалась новая область математики – суперматематика. Те как бы числа, которые меняют знак при перемножении, оказались практически ничем не хуже наших обычных чисел. Да, им не соответствует пространство в нашем понимании, ну и что? Всё остальное для них можно устроить. И то, что было нарисовано на футболке, возможно, имеет двойника, – нужно нарисовать ещё что-то на спине этой футболки, а именно, мир, отражённый в этом волшебном зеркале. Наше понимание математической структуры физических теорий говорит о том, что, весьма возможно, мир устроен супергармонично.

Волшебное зеркало называется суперсимметрией, потому что она потрясла современников. Она работала таким непостижимым образом, который по ряду причин казался вообще невозможным до, собственно, его открытия.

Как мы видели, в случае с Хиггсом был колоссальный успех, вызванный чисто математическими потребностями согласовать одно с другим. В случае суперсимметрии целый ряд вещей согласуется друг с другом ещё лучше. Только это позволяет нам считать, что, может быть, мир на самом деле суперсимметричен, и стоит поискать следы супшерсимметрии на коллайдере. В суперсимметричной стандартной модели Хиггс будет не совсем один, и примерно это я имел в виду, когда сказал вам, что ваша кошка пришла с котятками или привела кота. Их там 5, и то, что нашли сейчас на коллайдере, требует уточнения. Да, это Хиггс, но нужно точнее понять, из какой точно модели, нужно набирать ещё статистику, проводить ещё эксперименты.

Вот здесь – второй по важности график на сегодня. Вот эти три линии – это интенсивности трёх взаимодействий: сильного, слабого и электромагнитного – тех, которые переносятся глюонами, W- и Z-бозонами и фотонами. Эти взаимодействия значительно различаются по своей силе. Но если вы начинаете подогревать Вселенную, то есть возвращаетесь во времена, близкие к Большому взрыву, когда Вселенная была очень горячая, вы выясняете, что то взаимодействие, которое было сильным, делается более слабым, а то, которое было более слабым, при повышении температуры делается более сильным. И они имеют тенденцию сойтись в одном и том же месте. Слиться в одно.

Это сильное указание на то, что когда мир родился после Большого взрыва, в нём было одно-единственное взаимодействие. По мере его остывания в осадок по очереди выпадали разные фазы. Одна из них взаимодействовала слабым образом, другая – сильным. Третья – электромагнитным. Исходно, при высокой температуре, когда симметрия восстановлена, это было одно взаимодействие. На самом деле, более внимательный анализ показал, что эти кривые сходятся, но не совсем точно. Но если вы добавляете к вашим вычислениям вычисления для того, что находится за волшебным зеркалом, выясняется, что кривые сходятся точно.

И это сильнейшее указание на то, что наш мир исходно был, во-первых, в 2 или в 4 раза больше, что исходно он был очень симметричен и, в частности, суперсимметричен. Зеркало суперсимметрии – это примерно зеркало как на этом рисунке. Я затрудняюсь назвать все фрукты, которые здесь есть. Возможно, суперсимметрий несколько, и тогда они выполняют отражения таким вот образом. При повторном отражении я не получаю себя самого. Я получаю себя, перемещённого в пространстве. Это не совсем отражение, это довольно волшебное зеркало. И это зеркало заменяет бозоны на фермионы и фермионы на бозоны.

Бозоны, которые находятся здесь, за зеркалом отражаются в фермионы, а фермионы, которые у нас здесь, – в бозоны. Мир, который там, не похож на наш настолько, насколько это возможно. Помните картинку с бозонами и фермионами? Одни любят сидеть все на одном стуле, а другие стоят на почтенном удалении друг от друга. Так вот, наш мир так прекрасно устроен, потому что он сложен из фермионов, потому что фермионы не хотят садиться все вместе в одну точку, не хотят слипаться, они выдерживают дистанцию. А бозоны, которые переносят взаимодействие, как раз не беспокоятся из-за перенаселённости. После преобразования суперсимметрии за этим волшебным зеркалом всё наоборот. Там частички, которые как бы материальны, оказываются бозонами и слипаются в одну, а частицы, которые переносят взаимодействие, оказываются страшными индивидуалистами, поэтому ничего типа луча света там представить себе невозможно.

Исходя из косвенных признаков, примерно такого же сорта, что когда-то “породили” бозон Хиггса, мы можем догадываться о том, что наш мир ровно в два раза больше.

И та табличка, которая была нарисована на моей футболке, — вот здесь она же, вместе с суперпартнерами. Где же находятся суперпартнеры? Конечно, рядом с нами, просто они все оказываются такими тяжёлыми, что мы не можем их родить, произвести даже в самых сильных соударениях, по крайней мере, не могли до сих пор. Одна из возможностей, которую, быть может, способен протестировать адронный коллайдер, – это рождение суперпартнёров.

Суперпартнеры – частицы со взаимно противоположными свойствами. Это полные противоположности, которые уравновешивают друг друга, хотя каждый из них ведёт себя довольно противно. Этот порождает бесконечность, и этот порождает бесконечность, но вместе они прекрасная и гармоничная пара – такая, знаете ли, система сдерживаний и противовесов, идеал семейной жизни.

Если мир суперсимметричен, то удивительно, насколько он математичен в своей основе. В момент создания мира суперсимметрия могла быть в него встроена, потом нарушилась, как нарушились все остальные симметрии. Так оно или нет – решительно неизвестно. Можете делать ставки, но не спрашивайте меня, если вы хотите подзаработать: никто не знает, на что нужно ставить. Мне лично исключительно приятна суперсимметрия. Но не этим нужно руководствоваться, когда вы хотите заработать немного денег.

Вторая вещь, которую, быть может, удастся разглядеть на коллайдере, – это многие измерения. У меня в голове прекрасно существуют пространства, в которых нужно 4 числа для характеризации положения точки – четырёхмерное пространство, 5 – пятимерное пространство, 6 — шестимерное пространство. Физический мир делается абсолютно прекрасным в десятимерном пространстве. Он там настолько прекрасен и гармоничен, что – руководствуясь той же логикой, которая была с бозоном Хиггса, – хочется предположить: а наверное, мир родился десятимерным, а потом по каким-то причинам, когда Вселенная расширялась, часть измерений сделалась маленькими-маленькими, остались только три нам доступных. Можно ли узнать про эти измерения? Здесь нарисован четырёхмерный куб, штука замысловатая. Другая его проекция выглядит так. Богатство и многообразие того, что происходит в многомерных пространствах, велико, и почему-то на цифре 10 это богатство и многообразие делается особенно гармоничным. А у нас в трёхмерном – так, знаете, тени, отбрасываемые из этого десятимерного пространства.

Одна из идей состоит в том, что наш мир с его переносчиками взаимодействий представляет собой вот такую вот диаграммку: всё, что вокруг нас с вами, – это такой вот лист, болтающийся в чём-то большем. Мы все живём на “листе бумаги”, вложенном во что-то, только трёхмерном. Рядом, быть может, есть ещё один, который, быть может, подходит близко, а может, они как-то скручиваются, может быть, наш лист накручивается таким образом, что вот по этой траектории нужно лететь 100 тысяч лет световых лет, а вот так – каком-то смысле очень близко.

Если это так, то картина такова: три взаимодействия, о которых мы только и говорили сегодня, которые составляют Стандартную Модель, ограничены одним из этих листов. По историческим причинам лист называется “браной”, что есть сокращение от слова мембрана. Вот нарисован мир как брана. А рядом, может быть, ещё одна брана, и только гравитация, та самая сила, которая меня притягивает и которую мы сегодня не рассматривали вообще, только гравитация чувствует соседнюю брану. А узнать, есть ли такое, можно двумя способами: вы можете увидеть, что галактика вращается вокруг чего-то массивного, а в центре ничего нет, даже чёрной дыры. Это значит, что массивное тело находится на другой бране, но через гравитацию материя чувствует её – то, что находится вне досягаемости всех других наших средств восприятий. И это в прямом смысле слова параллельные вселенные. Они болтаются где-то рядом друг с другом, но чувствуют друг друга только гравитационно. А гравитационное взаимодействие самое слабое из всех: мы притягиваемся в Земле так сильно, как нам кажется, только потому, что Земля чудовищно большая. И только гравитоны обладают способностью чувствовать соседние браны.

Узнать о существовании браны можно было бы, продолжая изучать высокоэнергетические столкновения на коллайдере или на более тонко устроенном ускорителе. Нам хочется, чтобы лишние измерения были, потому что если их исходно было 10, то мир прекрасен настолько, насколько вообще себе можно вообразить, – в нём очень гармонично реализована суперсимметрия. Лишние измерения, лишние 7 измерений, могли скрутиться во что-то маленькое, что мы не можем почувствовать. Законы квантовой механики таковы: чтобы увидеть маленькое, вам нужно очень сильно разогнаться, вы не можете пролезть в это маленькое измерение, не разогнавшись очень сильно. Так вот, если вы сильно разгоняете два протона и ударяете их друг о друга, и ваши детекторы, те самые, которые были на моих первых слайдах, анализируют энергию каждого-каждого осколка, и вы обнаруживаете недосдачу чего-то, то, возможно, что-то ускользнуло “в сторону” от нашего пространства. Вы должны много раз получить такой результат, так же, как и с вашей любимой кошечкой, получить кое-какие и другие косвенные свидетельства, тогда вы скажете: наверное, часть энергии уходит в дополнительные измерения; возможно, это сигнал того, что наш мир более чем трёхмерен.

К сожалению, ситуация с ускорителями довольно печальная – и на этой печальной ноте я и хочу закончить. За последние 50 лет, с 1960-го по 2010 год, они развивались вот так. На этой картинке – логарифмическая шкала: то, что наверху, в 10 тысяч раз больше, чем энергия, представленная здесь, и в 100 тысяч раз больше, чем энергия вот здесь. Так возросли энергии, доступные коллайдерам.

Но дело подходит к логическому концу. Не только в смысле энергии – в смысле множества различных технических соображений: размеры магнитов, которые там установлены, мощность, которую они потребляют, предохранение их от расплавления от этой мощности, и т.д. Энрике Ферми в своё время пошутил таким образом: давайте построим ускоритель, опоясывающий Землю. Его стоимость по самым скромным современным данным – 22 трлн. Более или менее неважно чего, долларов или евро. В общем, наступает большой “Стоп”, и мы, изучая дальше структуру мира, вынуждены всё меньше бить молотком, а всё больше применять мозги.

Мы вынуждены по необходимости всё больше и больше доверять логическому анализу; мы выводим из наблюдений над нашим миром какие-то факты, подвергаем их рафинированному логическому анализу, который называется математикой, и делаем предсказания о том, как устроен мир в уголках, недоступных для нас. Открытие бозона Хиггса – это колоссальный успех такого рода, но каждый раз, когда такое происходит, мы чувствуем себя примерно как человек на этой известной гравюре, который, высунув голову за пределы своего мира, выясняет, что за его пределами находится ещё один, причем совершенно непознанный.

 

 

Метки: ,

Версия для печати Версия для печати

Один ответна «Бозоны-сознания и фермионы-вещей. Жизнь после Хиггса »

  1. ИСАТОВ Ю.С. на 12 ноября 2012 из 21:37

    С тех пор, как в 20 веке приборы усложнились по сравнению с аптекарскими весами и портновским сантиметром
    настолько, что не каждый и разберет, что такое счетчик радиоактивности, не то что синхрофазотрон, осмысление того,
    как устроен мир, все более требует философских знаний и поэтического воображения. Человек не видит изучаемый объект — только стрелку прибора. Поэтому в полет мысли и
    научное описание мира зачастую впрягаются литературные образы и метафоры. Чего стоят такие термины например, как «демон Максвелла», или «нейтронная лужа». Даже «ведьмин студень» Стругацких оказался вполне подходящ для голубого свечения «Вавилова-Черенкова» вокруг активной зоны реактора.
    Блестящая лекция сотрудника ФИАН им. Лебедева служит этому примером.
    ИСАТОВ

Написать ответ

 
SSD Optimize WordPress UA-18550858-1