Хван М.П. Неистовая Вселенная: От Большого взрыва до ускоренного расширения, от кварков до суперструн
Подождите немного. Документ загружается.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
141
141
«Л окальны е ф изические законы , известны е и п он ятн ы е нам , все сим м етри чн ы по
врем ени . И все-таки на м акроскопическом уровне н аблю дается явная асим м етри я по
врем ени . Д ействительн о, м ож но указать ряд на первы й взгляд разли чны х
м акроскоп и чески х стрел врем ен и .
...И так, я п озволю себе, — пиш ет Р . П ен роуз, — п еречисли ть сем ь, п о-
види м ом у, независим ы х стрел... распад К °-м езон а, кван тово-м ехан и ческие
наблю дени я, общ и й рост эн троп и и , запазды ван и е излучени я, п сихологическое врем я,
расш и рен и е В селенн ой и соотнош ен и е черны х и белы х ды р» (Р . П енроуз.
С и н гулярн ости и асим м етри я п о врем ен и // О бщ ая теори я отн оси тельн ости: С б.
статей / П од ред. С . Х оки н га, В . И зраэля. П ер. с ан гл. М .: М и р, 1983. 233 с).
И з этой ци таты статьи Р . П ен роуза м ы вы д елим пока только два п олож ени я,
которы е нас ин тересую т:
1. П арадокс м еж ду сим м етри чн ы м и локальны м и ф и зическим и законам и и
асим м етри ей, леж ащ ей в основан и и всех этих сим м етри чн ы х закон ов: все закон ы
класси ческой м ехани ки, С Т О и О Т О Э й н ш тейн а, в том числе закон ы кван товой
м ехани ки, сим м етри чн ы , хотя врем я на уровне м акром и ра необрати м о течет
асим м етри чн о от п рош лого к будущ ем у. Зн ачит, Р . П енроуз раскры л ту
ф и лософ скую и дею о том , что п ри рода скры вает за си м м етри ей локальны х
ф и зи чески х закон ов в своей глубин е сем ь ф ун дам ен тальн ы х стрел аси м м етри и .
2. В селен н ая н а м акроуровне соврем енн ого состояни я асим м етри чн а: 1) по
отн ош ени ю к вещ еству и антивещ еству; 2) по отн ош ению к расш ирению
В селенной; 3) по отн ош ению ко всеобщ ем у росту эн троп и и и т. д., как об этом
пиш ет Р . П енроуз в своей статье «С и н гулярности и асим м етри я по врем ен и ».
В этой связи стои т кратко ещ е раз н апом нить о п арадоксе м еж ду си м м етри ей и
асим м етри ей, которая всегда скры вается в глубине сим м етри и : двусп и ральная
м олекулярная структура Д Н К п редставляет соб ой аси м м етри чн ую левовин товую
сп и ральность, а красн ая роза си м м етри чн а в своем соверш енстве — красоте и
гарм он и и .
О бщ еи звестн о, что все м олекулярн ы е структуры ж ивой м атерии асим м етри чн ы :
они обладаю т ли бо левови н товой спиральностью , ли бо правови н товой
сп и ральностью . П оэтом у эти аси м м етри чн ы е м олекулярн ы е структуры ж и вой
м атерии усваи ваю т только те вещ ества, которы е адекватн о отвечаю т и х
(левови н товой или п раво-ви н товой ) спи ральности .
А сим м етри я ж и вы х сущ еств и орган и зм ов п редн азначена для борьбы с
возрастанием эн троп и и и , следовательно, с увеличен и ем в окруж аю щ ем и х м и ре
беспорядка и хаоса: ж и зн ь — это борьба с неуп орядоченностью .
Е щ е об одн ом парадоксе м еж ду си м м етри ей и асим м етри ей. К ак и звестно,
м акропространство-врем я асим м етри чно в расш иряю щ ейся и рекол лап сирую щ ей
В селенной. О днако их свой ства сим м етри чн ы — однородн ость и и зотроп н ость
простран ства и одн ородность врем ени , и поэтом у законы сохранен и я и м пульса,
м ом ента количества движ ени я и эн ерги и си м м етри чн ы : законы ф и зи ки си м м етричны
как вы раж ен и е эти х п рин ц и п ов си м м етрии — одн ородности и изотроп ности .
С ледовательно, в глуби н е сим м етри и м и ра п ри рода скры вает асим м етрию .
А какова ф и лософ ская природа м и кром ира?
Здесь нам необходим о останови ться более п одробн о н а расп аде К -м езон а, н а
которы й указы вает Р . П енроуз как на ф ундам ен тальн ую стрелу асим м етри и н а
уровне
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
142
142
м и ра м и крочасти ц . Н еобходим о отм ети ть и подчеркнуть, что м и р м икрочастиц есть
м и кром и р двухуровн евы й :
1. П ервы й уровен ь его — уровен ь сильн ы х (адрон н ы х) и электром агнитн ы х
взаи м одействий : это уровен ь адронн ой и леп тон н ой м атерии . Н а этом уровн е все
сп окойн о и си м м етри чн о: в сильны х адрон н ы х и электром агнитн ы х
взаи м одействиях все п ри нципы сим м етри и — Р , С , Т , С Р сохраняю тся: в м и ре
эти х взаи м одействий н еруш им а зеркальная сим м етри я как неразли чи м ость
леви зны и п рави зн ы , незы блем а си м м етри я «частиц а — ан ти части ц а» и , кон ечн о
ж е, абсолю тно несокруш им а T-инвари антн ость как сим м етри я обращ ен и я
врем ени .
2. В торой уровен ь м и ра м икрочасти ц представляет собой более глубоки й и ни ж е
леж ащ и й , чем уровен ь адрон н ой и леп тон н ой м атери и : этот уровен ь — уровен ь
царства слабы х взаим одей стви й . Э то царство слабы х взаи м одействий
представляло собой, как м ы уж е отм ечали , до середи н ы 50 -х гг. Х Х в.
неп ри ступ н ую крепость для аси м м етри и . О н о бы ло бастионом н еруш им ы х
принципов сим м етри и — Р , С , T и С Р Т .
К ак м ы уж е пи сали, начало разруш ения этого несокруш и м ого басти он а
си м м етри и п олож и ли Л и и Я н г, а окон чательно заверш или разруш ение этого
бастиона си м м етри и два ам ери кан ских ф изика Д ж ейм с К рони н и В ела Ф итч,
работавш и е в Б рукхейвене.
В 50-е гг. с откры ти ем и эксп ери м ен тальны м обнаруж ен и ем н овы х, странн ы х
части ц п еред ф и зи кам и встала одн а уди ви тельная загадка «тау - и тета-части ц »: одн а
и та ж е части ц а (т. е. К
0
-м езон или каон ) распадалась п о -разн ом у: на два π-м езона
или на три π-м езон а. К аон — электрически н ей тральная частиц а, и с одинаковой
м ассой странн ы м образом она распадалась н а 2 π-м езона и 3 π-м езон а: каоны ,
распадаю щ и еся н а 2 π-м езона, н азвали короткож ивущ и м и , п отом у он и очен ь бы стро
распадались, а каон ы , распадаю щ и еся на 3 π-мезон а, назвали долгож ивущ и м и ,
потом у что они очень м едленно, в сотни раз дольш е распадали сь.
Л и и Я н г «тау- и тета-частиц ы » считали н е двум я сам остоятельны м и части ц ам и,
а двум я обли чи ям и одной и той ж е частиц ы : одна и та ж е части ц а п роявляется в двух
обличи ях.
В 1963 г. загадкой каон ов — короткож ивущ их и долгож и вущ и х —
заи н тересовали сь Д . К ронин и В . Ф итч, и через год они нап и сали статью , в которой
удивили м ир ф и зиков сообщ ени ем о том , что и долгож и вущ ие каон ы распадаю тся —
очен ь редко, оди н случай из 1 000 собы ти й , — на 2 п и он а, а не н а 3. Т ак К рони н и
Ф итч п одтверди ли экспери м ен тальн о предполож ени е Л и и Я нга о том , что «тау - и
тета-части ц ы » не есть две сам остоятельны е части ц ы и ан ти части ц ы , а два обли чи я
одной и той ж е части ц ы .
Т ак бы ло установлен о н есохран ен и е в слабы х взаи м одей стви ях
ком бинирован н ой СР-четн ости — свергн уты со своего пьедестала н е только
си м м етри и Ρ и С , но и СР-си м м етри я: СР-несохран ен и е яви лось круш ени ем надеж ды
ф и зи ков н а сохран ени е ком бинирован н ой сим м етри и пространственн ой четн ости Ρ и
зарядового сопряж ени я С .
СР-несохран ен и е и м ело далеко идущ и е п оследстви я: оно связан о такж е с
необходим остью сокруш ен и я со своего басти он а сим м етри и Τ -инвари антн ости.
В результате взяти я непри ступ н ой креп ости для асим м етрии и сокруш ен и я
несокруш им ого бастиона си м м етри и — Р , С , С Р и Τ — м и р м икрочасти ц на
глубоком
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
143
143
ф ун дам ен тальн ом уровне слабы х взаим одействий предстал перед уди влен н ы м
взором человечества н е только «кладбищ ем » н и звергн уты х принци п ов сим м етри и ,
но и асим м етри чн ы м : в нем м ож но теперь отли чить правое от левого и, н аоборот,
левое — от правого; части ц ы м огут сущ ествовать без свои х ан тичастиц; врем я там , в
глубине слабы х взаи м одействи й , течет стрелой необратим ы м образом .
О дн и м словом , в м ире слабы х взаи м одей ствий (как на уровне адрон н о -
леп тон н ом , так и н а уровне кварк-леп тон н ом ) установилось ц арство асим м етри и .
Значит, и здесь, в м и ре м и крочасти ц , в осн ове сим м етри и леж ит асим м етри я:
асим м етри я — нечто глуби н н ое, а си м м етри я является ф акти ческим п роявлени ем
врож ден н ой асим м етри и м атерии .
П оэтом у врож денн ое м атери и — асим м етрия, а ф акти ческое м атерии —
си м м етри я: врож ден н ое — нечто сущ ностное, а ф актическое — нечто
ф еном ен ологическое.
В п оследни е десяти летия продолж али сь и н тенсивн ы е и сследован и я слабого
распада каон ов п реи м ущ ественно на уровне и х кваркового состава. Э ти и сследован и я
дей ствительно п оказали , что СР-несохран ени е глубоко связано с н аруш ением T-
инвари -антности . Н а сам ом глубоком ф ундам ен тальн ом уровне м икром ира, т. е. н а
уровне слабого расп ада ф ун дам ен тальны х ф ерм ионов — кварков и леп тонов, —
обнаруж и вается глубокая связь м еж ду СР-несохранени ем и н аруш ен и ем T-
инвари антности: н а этом уровн е слабого распада кварков очен ь редко, но
наблю дается необратим ость течени я врем ени , т. е. асим м етри я врем ени .
• Во-п ервы х, кварковая кон струкци я каон ов эволю ционирует во врем ени , показы вая,
как отм ечает автор кн и ги «А н тим атерия» (М ., 2001) Г . Ф рейзер — оди н из
руководителей Ц Е Р Н а, — «возраст каон а»;
• во-вторы х, сравн ени е скорости п ревращ ен и я каон ов в ан ти каон ы со скоростью
превращ ения ан тикаон ов в каон ы дем он стри рует сущ ественное разли чи е м еж ду
эти м и двум я скоростям и, которы е п ри сохранени и T-и н вари антн ости долж ны
совп адать;
• в-третьих, учены е спец и али сты больш ую надеж ду возлагаю т н а стрелу врем ени
при расп аде тяж елы х кварков, п реж де всего на распад b-кварка н а с-кварк:
Здесь, естественн о, возн и кает и н тересн ы й ф илософ ский вопрос: почем у п рирода
«прячет» асим м етри ю в своих сам ы х глубин н ы х тайн иках, а си м м етри я всегда н екое
внеш нее, ф актическое сущ ествовани е этой глубинной аси м м етри и ?
А сим м етри я есть н екое вн еш н ее проявление врож денн ой нестаби льности
м атерии вообщ е: м атери я по своей сущ ностн ой природе н естаби льна. С ущ н ость ее,
как отм ечает Ш . Г лэш оу, не в стабильн ости, а в нестаби льности .
Н естабильн ость м атери и — сам ы й н и ж н и й , глубоки й уровен ь, п редставляю щ и й
собой н екое единство кван тового хаоса и кван товы х ф луктуаци й : она п роявляется
как турбулентн ость через случай н ость. О днако турбулентн ость как кван товы й хаос
вклю чает аттракторы , которы е представляю т собой глубинны е
вы сокоупорядоченны е структуры .
А сим м етри я — однон аправленн ое п о врем ен и проявлени е этой нестабильности
м атерии: асим м етричны расп ад каон ов и вообщ е все слабы е расп ады ф ун дам ен таль -
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
144
144
ны х ф ерм и он ов — кварков и леп тон ов. В се тяж елы е кварки так или иначе
распадаю тся на более легкие кварки :
t — > b — > с — > s — > d — > u-кварк.
Т акая ж е си туаци я с леп тон ам и: тяж елы е леп тон ы распадаю тся н а легки е:
и т. д.
Р и с. 1.26
О дн и м словом , все ф ундам ен тальн ы е ф ерм и он ы — кварки и лептон ы —
подверж ены слабы м взаи м одействиям на сам ом глубоком ф ундам ен тальн ом уро вн е
строени я и структуры м атерии : чем м ы глубж е п рон и каем вглубь м атери и от
стабильн ости атом а и ядра, от адрон н ой м атерии — к м атерии ф ундам ен тальн ы х
ф ерм ион ов, тем отчетли вее п роявляется и тем ясн ее н аблю дается нестабильн ость
м атерии вообщ е.
И даж е когда м ы спустим ся от уровня электром агни тн ы х и си льны х (радиус
10~
13
см ) взаим одей ствий к уровню слабы х распадов (ради ус 10
-17
см )
ф ун дам ен тальн ы х ф ерм ион ов и бозон ов, соверш ен н о отчетли во н аблю дается
асим м етри я как ф акти ческое п роявлен и е врож ден н ой н естабильно сти м атери и :
врож ден н ая н естаби льность м атерии п роявляется в ф акти ческой асим м етри и слабы х
распадны х проц ессов:
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
145
145
В се эти и други е слабы е распадны е процессы п о врем ени асим м етри чн ы и
необратим ы : м ы н е м ож ем получи ть из легки х ф ундам ентальны х ф ерм и он о в и
бозон ов более тяж елы е.
С ледовательно, м атери я н а сам ом глубоком ф ундам ен тальном уровн е скры вает
асим м етри ю как ф акти ческое сущ ее своей врож денн ой нестабильности : аси м м етри я
в ф и лософ ском ракурсе есть ф акти ческое сущ ее врож ден н ой нестабильн ости
м атерии.
Т аков ф илософ ски й см ы сл расп ада каон ов как первой асим м етри и и з сем и
знам ен и ты х стрел по врем ен и Р . П ен роуза: асим м етрия так ж е, как и сим м етрия, —
кон структи вны е п ри н ц и п ы сам оорган и зац и и м атерии. П оэтом у и х н азначени е (как
познавательное, так и реальн о-объекти вн ое) заклю чается в сам оорган и заци и
м атерии, в ее конструкти вн ом структури ровани и и структурали заци и объектов как
м и кром и ра, так и м акрокосм оса. П оэтом у в реальной расш и ряю щ ейся и
реколлап сирую щ ей В селенной ф ункц и я эти х кон структивн ы х при н ц и п ов сим м етрии
и асим м етри и исклю чительно важ н а и сущ ественна: он и являю тся п ри н ц и п ам и
сам ооргани заци и м атери и .
С ледует отм етить, что как в познавательном п роцессе, так и в реальном м и ре
си м м етри я и асим м етри я п остоян н о м еняю тся м естам и : они являю тся п ринципам и
кон струи рован и я как реального м и ра, так и позн авательной карти н ы об этом м ире.
М ы вы ш е ви дели , как ф ундам ен тальн ая си м м етри я м еж ду ф ундам ен тальн ы м и
ф ерм ион ам и и ан тиф ерм ионам и бы ла н аруш ен а в актах тотальной ан н и ги ляц и и и х в
сам ую ран н ю ю эп оху м олодой В селен н о й : результатом «сам оуни чтож ен и я» этой
ф ун дам ен тальн ой си м м етри и явилась барионная асим м етри я наш ей В селен н ой .
В этой связи н ам п редставляется ум естн ы м ещ е раз обратиться к идей н ом у
наследию академ ика А . Д . С ахарова, к его ф и лософ ским разм ы ш лен и ям и ви дени ю
происхож ден и я В селенн ой в результате Б ольш ого взры ва.
Э то бы л 1964 г. О н бы л исклю чи тельн о п лодотворны м и особы м , до п редела
насы щ енны м велики м и откры ти ям и , годом . К аж ды й м есяц при н оси л все новы е и
новы е, неож и дан н ы е и вн езапн ы е откры ти я, которы е бы ли н е только
впечатляю щ и м и, но и захваты ваю щ им и и дух, и н аш е воображ ен и е.
М . Г елл-М анну и Д . Ц вейгу при н адлеж ит п остроен и е кварковой м одели, которая
превращ ается в К Х Д в результате введен и я О . Г ринбергом ц вета как
ан ти коллапсирую щ ей силы . 1967 год м ож н о назвать годом откры ти я п ульсара как
ней трон н ой звезды учен ы м и Б еллом и Х ьи ю ш ем из К ем бридж а, п лотность м атери и
которой составляет три ллион тон н в одн ом кубическом сан тим етре. Э тот год бы л
годом осознани я и пон и м ан и я главн ой тай н ы ж и зн и — двусп и ралы ю й м олекулярн ой
структуры Д Н К , откры ти е которой прин адлеж и т двум м олоды м учены м — Д ж он у
У отсону (С Ш А ) и Ф рэн сису К ри ку (А нглия): откры ти е и м и бы ло сделан о 10 лет
назад, но Н обелевская прем ия бы ла вручен а ш естеры м , и бо разгадка тайн ы ж изн и
настолько бы ла ош елом ляю щ ей и долгож дан н ой . И все ж е сам ы м ф ундам ен тальн ы м
откры ти ем не только 1964 г., н о и Х Х в. явилось случайное экспери м ен тальное
обнаруж ени е двум я ам ери кан ским и учен ы м и А рно П ензи асом и Р обертом В и лсоном
косм ического м и кроволнового чернотельного ф он а, т. е. реликтов ого излучен и я как
электром агн и тн ого, и дущ его к н ам с Б ольш ого взры ва и зотропн о со всех
нап равлени й и т. д. и т. п.
И вот в такой духовн ой атм осф ере стал разм ы ш лять А . Д . С ахаров о СР-
несохранени и и аси м м етри и В селенн ой по отнош ен и ю к вещ еству и ан тивещ еств у:
для н его бы ла загадкой эта асим м етрия В селенн ой . П очем у и как образовалась эта
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
146
146
асим м етри я вопреки закону си м м етри и закона зарядового сопряж ени я — С ? Н а
осн ове СР-н есохранени я А . Д . С ахаров счи тал:
1) скорость Б ольш ого взры ва бы ла больш е скорости света и в соответствии с н ей
скорость рож дени я частиц и античасти ц бы ла такж е больш е с: в результате этого
части ц ы и ан ти части ц ы не см огли ан н и ги лировать;
2) затем м олодая В селенная резко похолодала в 10 м илли ардов раз: н ачалась
тотальная вселен ская ан н и ги ляция частиц и анти части ц , в огнен н ы х актах которой
бы ли они сам оун и чтож ены ;
3) м и ллиарду ан тичасти ц соответствовал м и ллиард части ц + 1 п ротон : эти
м и ллиарды части ц и ан тичастиц бесследно «сгорели » и превратили сь в ф отон ы , и
остался 1 протон : соотн ош ен и е их стало — 1 протону 10
9
ф отон ов, т. е. м илли ард.
Т ак, п о А . Д . С ахарову, возн и кла бари он н ая аси м м етри я и , следовательно,
асим м етри я В селен н ой по отн ош ению к вещ еству и анти вещ еству.
В этой связи м ы ещ е раз останови м свое вни м ан и е н а конц епц и и А . Д . С ахарова
о возни кн овен и и и образовани и бари онной аси м м етри и , н ад проблем ой которой он
серьезн о работал в 1964 — 1967 гг.
1. О н придерж и вался теори и Б ольш ого взры ва Г . Г ам ова. О днако он счи тал, что
скорость Б ольш ого взры ва бы ла больш е скорости света. П оэтом у скорость
рож ден и я частиц и ан тичасти ц такж е бы ла больш е скорости света: части ц ы и
ан ти части ц ы обладали сверхреляти ви стски м и скоростям и . Э то обстоятельство
привело к том у, что части ц ы и анти части ц ы не м огли сталкиваться и вступ и ть в
ан н и ги ляцию .
2. Ч асти ц ы и античасти ц ы рож дали сь си м м етри чн о: м илли арду анти части ц
соответствен н о рож дался м илли ард частиц + оди н п ротон . П рои сходи т резкое
похолодан и е В селенн ой : он а в десятки м илли ардов раз похолодела и тем сам ы м
создалось условие для ан н и ги ляци и частиц и ан тичасти ц . В этой тотальной
вселенской ан н и ги ляци и все ф ерм ион ы — кварки и леп тон ы — и анти ф ерм ион ы
— ан тикварки и ан тилеп тон ы — сам оун и чтож и ли сь: в огн ен н ом горниле
ан н и ги ляции «сгорели » все кварки и леп тон ы . О стались лиш ь «избы точн ы е
кварки» и «и збы точн ы е лептон ы »: протон ы и ней трон ы бы ли образован ы из
«избы точн ы х кварков».
Т ак образовалась бари он н ая си м м етри я.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
147
147
Г л ав а 3. Т еор и я суп ер стр ун к ак теор и я всего сущ его
(TBC)
§ 1. Т еор и я в сего сущ его (TBC) С уп ер си м м етр и я
М ы уж е отм ечали , что суп ерсим м етри я — это соверш ен н о н овы й вид
си м м етри и , ком м утатор которой переводи т ф ерм и он в бозон и, наоборот, бозон в
ф ерм ион . Т аки м образом , сущ ествует п олная си м м етри я м еж ду ф ерм ион ом и
бозон ом . С уп ерсим м етри я есть такая ф ун дам ен тальная си м м етри я, какой является
си м м етри я м еж ду частицей и ан тичастицей . Т ак, м ы и м еем п олную си м м етри ю
м еж ду части ц ам и и анти части ц ам и: части ц ы и античасти ц ы п одчи н яю тся одн ом у и
том у ж е закон у. В при роде сущ ествует только оди н закон для частиц и ан тичасти ц ,
поэтом у возм ож н а см ен а си стем ы частиц си стем ой ан тичасти ц и нао борот: в этом
состои т см ы сл п олной сим м етри и м еж ду части ц ей и ан ти части ц ей.
О сновн ой см ы сл стандартной м одели ф и зи ки элем ен тарны х частиц —
— заклю чается в полн ой сим м етри и м еж ду кваркам и и лептон ам и :
кварки и леп тон ы находятся в одном м ульти п лете и они в заи м опревращ аем ы . М ы все
ж е счи таем , что устан овлен и е полной си м м етри и м еж ду кваркам и и леп тон ам и
значительн ы м достиж ен и ем груп п ы SU
(5)
.
• Во-п ервы х, при ни зки х энерги ях леп тон ы абсолю тно н есравни м ы и н есоизм ерим ы
по си ле и интен сивн ости с кваркам и .
• Во-вторы х, леп тон ы (и х ш есть: е
-
и v
e
; μ и ν
μ
; τ и ν
τ
) си м м етри чн ы п о количеству
ш ести кваркам : в п рироде сущ ествует си м м етри я м еж ду коли чествам и лептон ов и
кварков. Ш ести леп тон ам коли чествен н о соответствует ш есть кварков и н аоборот
(эта и дея бы ла сф орм ули рована ф изикам и в 1956 г. н а К он ф ерен ц и и вы соки х
энерги й в г. К и еве).
• В -третьих, ф ундам ен тальн ая значим ость п олной сим м етри и м еж ду кваркам и и
леп тон ам и объясняется преж де всего тем , что кварки и леп тон ы н а сегодн яш ний
ден ь рассм атри ваю тся как ф ундам ен тальн ы е частиц ы , т. е. как точечн ы е, далее
недели м ы е, даж е п ри вы соких эн ергиях остаю щ и еся части ц ы : п ракти чески с
пом ощ ью ш ести кварков (u, d, s, с, b и t) и трех ц ветов (красны й , зелен ы й и син и й )
м ож н о оп и сать м ноголи ки й м и р адрон ов как части ц , участвую щ их в сильны х
ядерн ы х взаи м одей стви ях и объясн и ть его. И з полной си м м етри и м еж ду кваркам и
и леп тон ам и, т. е. их взаим оп ереходи м ости при очен ь вы соких эн ергиях 10
15
Г эВ ,
следует логический вы вод об отн оси тельн ости п он яти я ф ун дам ен тальности
кварков и леп тон ов: если кварки и леп тон ы взаим озам ен яем ы , то естествен н о
нап раш и вается вы вод о более глубоком сущ ем , ф ен ом енам и которого являю тся
кварки и лептон ы ; таки м сущ им м огут бы ть п реоны , соли тон ы и ли суп ерструны (о
них м ы будем н и ж е писать).
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
148
148
П оэтом у естествен н о стрем ление ф изиков к п оиску более глуби н н ого уровня
суп ерсим м етричны х частиц, вы ступ аю щ их в качестве суп ерп артнеров нам и звестны м
элем ентарн ы м частицам : м еж ду м и ром нам и звестны х элем ен тарн ы х части ц и м иром
суп ерсим м етричны х суп ерп артнеров сущ ествует п олн ы й и зом орф изм , т. е.
однозначн ое соответстви е м еж ду частицам и и суп ерп артнерам и их.
О сновн ая ф и лософ ская и деологи я суперсим м етри и , на наш взгляд, заклю чается
в полной сим м етри и м еж ду части ц ам и и их суп ерсим м етри чн ы м и суп ерп артнерам и:
в этой полн ой си м м етри и раскры вается ф и лософ ия м атериального еди н ства м ира. Н о
м и р не только один в своей глуби н н ой сущ ности, н о он м ноголик, м н огоразличен и
м н огосп ектрален: м ир и еди н , и различен .
С и м м етри я — всегда вы раж ени е един ого, а наруш ение сим м етри и есть
вы раж ен и е м нож ественн ости: еди н ое — н ечто ноум енальное, а м нож ествен н ость —
нечто ф ен ом енальное. П оэтом у си м м етри я неи збеж но долж на наруш аться:
си м м етри я н оум ен а долж н а н аруш аться, чтобы оп равдаться (т. е. вери ф и ц и ровать) в
ф еном ен ологии . П оэтом у п уть н аучн ого п ознан и я есть всегда движ ен и е от
ф еном ен ологии к ноум ен ологи и и от н ее снова к ф еном енологии: от ф актов к
построен и ю теоретической м одели и от нее снова к ф еном енам , чтобы объясн и ть их
и пон ять.
С уперсим м етри я, в кон ечн ом счете, есть: во -первы х, теоретическая п оп ы тка
поиска более глубокого уровн я строен и я м атери и , чем кварковы й ; во -вторы х,
попы тка, рассм атри вая кварковы й уровен ь как ф ен ом енологический, объясн и ть
бы тие кварковой м атери и и п он ять ее п ри роду: все элем ен тарны е частицы как
ф еном ен ы соп ряж ены со свои м и суп ерсим м етри ч н ы м и суп ерп атнерам и как
ноум ен альн ы м и сущ ностям и ; в-третьих, главн ая цель суперсим м етри и все ж е
заклю чается в еди н ом син тезе всех четы рех ти п ов ф ундам ен тальн ы х взаим одей стви й
— электрослабы х, сильны х цветн ы х и гравитации. И стория развития ф и зики
элем ентарн ы х части ц и си л их взаим одействий такова, что, во -п ервы х, каж ды й ти п
си л взаим одействий частиц изучался и исследовался отдельн о от всех други х; во -
вторы х, всегда на п ротяж ен и и всей истори и развития ф изики элем ен тарны х частиц
грави тация находи лась в стороне от этой и стории : без грави таци и и вн е ее абсолю тно
невозм ож н о и нем ы сли м о единое описани е при роды .
В порядке ф и лософ ского раздум ья и разм ы ш лен и я м ож но п редполож и ть, что
суп ерсим м етричны е суперп артнеры (сэлектрон, сн ейтри н о, скварки, ф оти н о, глю ин о,
вино, зи н о и особенн о грави тин о) не м огут ли вы ступ ать канди датам и н а роль
суп ерчасти ц «тем ной» м атери и : н е связан а ли грави тация с «тем ной» м атерией? Е сли
грави тин о как суп ерпартнер грави тон а м ож ет оказаться кан ди датом на роль
суп ерчасти ц ы «тем ной» м атерии , то м ы сделаем ещ е важ ны й ш аг к более глубоком у
представлен ию о грави таци и как уни версальной силе взаи м одействий как в косм осе,
так и м и кром ире. Г рави таци я — еди н ственная сила и з всех четы рех ти п ов
взаи м одействий , без познани я которой невозм ож н о и нем ы сли м о со здани е един ой
картин ы м иропон и м ан и я, абсолю тно исклю чен о построен и е единой всеобщ ей
ф и зи ческой теори и обо всем : еди н ое во всем и все в одном .
Закан чивая суп ерсим м етри ю , отм етим следую щ и е м ом ен ты :
1) суперп артнеры в одн ом суп ерсим м етри чн ом м ульти п лете тож деств ен н ы друг
друга: он и сим м етри чн ы , п отом у что они взаи м оп ереходи м ы и
взаи м оп ревращ аем ы ;
2) частиц ы и суп ерпартнеры образую т суп ерп оля, которы е сущ ествую т в
суп ерп ространстве, где разы гры вается их драм а, т. е. п орож дени е их друг друга и
их расп ад;
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
149
149
3) п ри сохран ен и и пространственной четности Ρ суп ерсим м етри чны е частицы
рож даю тся п арам и, тяж елы е суп ерсим м етри чн ы е части ц ы распадаю тся н а легкие,
а сам ая легкая остается стаби льной , и п оэтом у эта легкая стаби льная части ц а
м ож ет бы ть кан ди датом на роль суп ерчасти ц ы «тем ной» м атерии ;
4) «пусты н я» м еж ду вы соким и эн ерги ям и 10
15
Г эВ и план ковски м м асш табом
10
19
Г эВ м ож ет оказаться совсем н е «п усты н ей»: в ней полны м -п олно н овы х, н ам
неи звестн ы х сверхси льны х сил и экзотически х части ц . В этом случае кварки ,
леп тон ы , бозон ы — W
±
и Ζ
0
и др. — перестан ут бы ть ф ун дам ен тальн ы м и и он и
м огут бы ть образован ы при чудовищ но сверхсильн ы х взаи м одействи ях из
суп ерструн: все нам и звестны е элем ен тарн ы е частицы п редстан ут как проявления
суп ерструн;
5) таков уж н аш м и р бескон ечн ости в своей сущ ности , скры ваю щ ий от н ас свои
сокровенн ы е тайны , которы е расколдовы вает н аш разум .
С уп ер гр ав и тац и я
И все ж е при всех впечатляю щ и х достиж ен и ях одна клю чевая проблем а остается
неразгадан н ой : безусловно, такой осевой проблем ой является п роблем а
суп ергравитац и и . Б ез супергравитац и и н е м ож ет и дти речи о полном еди н ении Ф Э Ч
и соврем ен н ой косм ологи и : теори ей этого п олного еди н ени я долж н а стать кван товая
грави тация.
М н огие ф ундам ентальны е п роблем ы косм ологии и Ф Э Ч н аходятся в тупиковой
си туаци и и з-за отсутстви я теори и квантовой гравитац ии. П оэтом у п роблем а создания
теори и кван товой грави тации является клю чевой п роблем ой и для косм ологии, и для
Ф Э Ч .
В этом отн ош ении суп ерсим м етри я, вклю чаю щ ая и суп ерграви тац и ю , является
важ ны м ш агом в нап равлен и и п олного еди н ени я Ф Э Ч и ко см ологи и : и все-таки
главн ая ц ель ф и лософ ского п он и м ан и я м и ра в больш ом и м алом состои т в
осм ы слени и глубочай ш его един ства этого м и ра. Б ольш ое и м алое — асп екты
проявлени я этого одного м ира: больш ое и м алое взаи м опроникаем ы в своем
еди н стве.
П очем у ж е все-таки теори я кван товой грави таци и является клю чевой проблем ой
сам ой косм ологи и и ф изики элем ен тарн ы х части ц ?
П отом у что на сты ке соврем ен н ой косм ологии и ф и зи ки элем ен тарн ы х частиц
возни кла такая п роблем а, которая требует для своего реш ения ф орм ули рован и е
еди н ой теори и квантовой грави тации : такой архислож н ой проблем ой является
проблем а син гулярн ости как бескон ечн ости п лотн ости м атери и и и скри влен н ого
простран ства-врем ен и . (К огда м ы п и ш ем о си н гулярности, то им еем в виду
ф и зи ческую си н гулярность, а не м атем ати ческую бесконечн ость: ф и зи ческая
си н гулярность как особое состоян ие не сводим а к м атем ати ческой точке
бесконечн ости.)
М ы уж е отм ети ли , что супергравитация есть часть суп ерсим м етри чн ой м одели,
ибо он а (суп ерсим м етри я) предполагает нали чи е частиц -суп ерп артн еров,
претендую щ их н а роль «тем ной м атери и »: в качестве претенден тов -суп ерп артнеров
на роль «тем ной м атерии» вы ступ аю т гравитин о, тяж елы е н ейтри н о ν
μ
и ν
τ
, а м ож ет
бы ть, акси оны , м он ополи и т. д.
О дн и м словом , для н ас важ н о то, что суперсим м етри чная м одель п редполагает
части ц ы -суп ерпартнеры , п ретендую щ и е на роль «тем ной м атери и ». В этом
отн ош ени и суп ергравитац и я является н еотъем лем ой структурн ой ком п он ентой
суп ерсим м етричной м одели.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
150
150
О дн ако нали чи е части ц -суп ерп артнеров «тем н ой м атерии » — ли ш ь одна
сторон а реш ен и я п роблем ы суп ергравитац и и : сущ ествует вторая ее сторона, не м ен ее
важ ная, чем первая сторона.
С упергравитац и я — теоретическая м одель, осн овны м требован и ем которой
является объеди н ени е всех четы рех тип ов взаи м одействи й — С В , С Л В , Э М В и Г В —
в единое, одн о ф ундам ен тальн ое взаи м одей стви е, результатом С Н С которого
вы ступали бы эти четы ре тип а взаи м одей стви й : теоретически м осн овани ем
требовани я одн ого ф ундам ен тальн ого взаи м одей стви я является п лан ковский м ом ен т,
вклю чаю щ ий следую щ ие м асш табы :
1. m
pl
= 10
19
Г эВ , т. е. н а 4 порядка вы ш е, чем эн ергия стандартной м одели Ф Э Ч ;
2. l
pl
= 10
-35
см ;
3. t
ρ1
= 10
-45
с;
4. T
рl
=10
30
К;
5. 10
94
г/см
3
— м асш таб п лан ковской п лотности м атери и .
П лан ковский м ом ен т — требовани е объедин ени я четы рех ти п ов
взаи м одействий : три ти п а взаи м одействи й объедин ены в стандартн ой м одели Ф Э Ч
—
В стандартной м одели Ф Э Ч осущ ествлены :
1) кварк-глю онн ы е взаим одействия;
2) при энерги ях 10
15
Г эВ катастроф и чески ослабевает си ла сильны х взаим одействий
и тем сам ы м стало возм ож н ы м объедин ени е С В с си лой электрослабы х
взаи м одей стви й ;
3) поэтом у стало возм ож н ы м сли яние всех трех си л взаи м одействи й — С В , Э М В и
С Л В — в одну кон стан ту взаи м одей стви й .
С ледовательно, м ы и м еем , с одной сторон ы , п редполагаем ы е
суп ерсим м етричной м оделью части ц ы -суп ерп артнеры , п ретендую щ и е на роль части ц
«тем н ой м атерии », а с другой сторон ы , планковски й м ом ент, основн ы м требован ием
которого является объединен и е си лы гравитационного взаи м одействия с трем я
другим и силам и взаи м одействий. О днако вся осн овная трудность объеди н ени я
грави тации со всем и другим и типам и взаим одействий заклю чается в чрезвы чай н о
м алом (т. е. н езн ачи тельн ом ) грави таци он н ом эф ф екте — 10
-39
н а уровн ях
элем ентарн ы х части ц и атом арн ом : на планковском м ом енте сила грави тационн ого
эф ф екта резко долж н а возрастать и проявляться. Н о эта н адеж да учен ы х-
сп еци али стов почти н епроверяем а из-за ограни ченн ости разреш аем ой способн ости
соврем ен н ы х ускорителей -коллай деров. Т ем более ни одна части ц а-суперп артн ер,
предсказы ваем ая в суперсим м етри чн ой м одели , эксп ери м ен тальн о пока н е
обнаруж ена. П оэтом у н аш е ф и лософ ское утверж ден и е о суп ергравитаци и м ож н о
свести к следую щ им м ом ентам :
Д олж на бы ть установлен а суп ерсим м етри чн ая и суп ерграви таци он н ая
тран сф орм ац и он н ая ф ерм и он -бозонная си м м етри я: долж н а бы ть осущ ествлена
полн ая сим м етри я м еж ду всем и суп ерсим м етр ичны м и частицам и -суп ерпартнерам и и
суп ергравитац и он н ы м и части ц ам и -суп ерп артнерам и «тем н ой м атери и ».