ВЕЛИКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ

ВЕЛИКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ

Когда мы говорили о вакууме — пустоте — в разделе «Энергия из черных дыр», то подчеркивали, что в нем непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц. Пустота оказалась совсем непростой. Вакуум — это сложнейшее состояние «кипящих» виртуальных частиц всевозможных сортов.

Читателя, наверное, теперь не слишком удивит тог факт, что свойства этого состояния — вакуума — зависят от того, как его приготовить. Следовательно, бывает разный вакуум — разная пустота!

Мы в дальнейшем приведем примеры возможных вакуумов. А сейчас поставим вопрос: не может ли результатом активности вакуума (результатом «кипения») явиться появление некоторой плотности энергии как следствие взаимодействия виртуальных частиц?

Оказывается, плотность энергии может появиться. Этот факт подчеркивался еще в 60-е годы Я. Зельдовичем. Каждой энергии соответствует определенная масса. Поэтому вместе с плотностью энергии вакуума должна появиться и плотность массы. Но тогда вы, читатель, наверное, спросите: не означает ли это появление в наших представлениях некоторой универсальной среды, некоторого нового «эфира»? Если это так, то эта среда должна восстановить понятие абсолютного покоя и движения. Ведь движение относительно этой среды и было бы движением относительно пустоты, то есть относительно абсолютного пространства.

Казалось бы, двигаясь относительно такого нового «эфира», мы должны почувствовать набегающий на нас поток — «эфирный ветер». Его-то и хотел обнаружить Майкельсон еще в прошлом веке, пытаясь измерить движение Земли сквозь эфир в опытах, которые мы описывали и которые, как мы помним, дали отрицательный результат.

Если бы новый «эфир» был бы похож на обычную среду, то встречный ветер при движении в нем действительно можно было бы обнаружить. Но все дело в том, что вакуум — совсем необычная среда. В нем вместе с плотностью энергии обязательно появляются натяжения, подобные натяжениям, возникающим в твердом теле при растяжении. Эти натяжения эквивалентны отрицательному давлению, поэтому так и говорят — возникает отрицательное давление.

В обычных средах давления и натяжения составляют малую долю полной плотности энергии (включающей массу покоя). В вакууме отрицательное давление огромно и по абсолютной величине равно плотности энергии. И в этом необычном свойстве заключена важная непохожесть вакуума на обычные среды.

Когда наблюдатель начинает в этой среде двигаться, на него будет набегать поток энергии, связанный с плотностью энергии, и, казалось бы, наблюдатель может измерить этот поток (это и будет «ветром»). Но, помимо этого потока, на наблюдателя будет набегать также поток энергии, связанный с отрицательным давлением. Такой поток будет по знаку отрицательным, но по модулю равен первому потоку и точно его скомпенсирует. В результате никакого «ветра» не будет! Как бы ни двигался по инерции наблюдатель, он всегда будет измерять одну и ту же плотность энергии вакуума (если такая есть) и одно и то же отрицательное давление, и никакого «ветра», связанного с движением, возникать не будет. Вакуум одинаков для любых наблюдателей, движущихся друг относительно друга по инерции.

К вакууму мы еще неоднократно будем возвращаться, а пока обратимся к оставленным нами на время элементарным частицам.

Как мы уже говорили выше, электромагнитное взаимодействие между частицами, несущими электрический заряд, обусловлено обменом фотонами.

Слабое взаимодействие также связано с наличием особых зарядов. Однако существенная разница между электромагнитным взаимодействием и слабым состоит в том, что последнее происходит только на очень малых расстояниях. Как мы видели, это связано с огромной массой W⁺-, W^--, Z⁰ -бозонов. Взаимодействующие частицы могут «занимать» энергию для рождения и передачи бозонов-переносчиков только на очень короткое время. Поэтому и взаимодействовать таким способом они могут, только находясь совсем близко друг к другу. А что было бы, если бы массы всех частиц-переносчиков: W⁺-, W^--, Z⁰ -бозонов и ?-фотонов были бы равны нулю? Или еще вопрос: что было бы при очень больших температурах, когда W⁺-, W^--, Z⁰ -бозонов могли бы рождаться столь же легко, как и ?-фотоны?

Действительно, при больших температурах все частицы обладают большими энергиями и им нет нужды «занимать» энергию для рождения массивных бозонов. Эта энергия и так у них есть. Тогда обмен указанными бозонами происходил бы столь же эффективно, как и обмен ?-фотонами, и осуществлялась бы полная симметрия между слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Оказывается, в этих условиях (то есть при больших энергиях) проявляется единая сущность рассматриваемых взаимодействий, и они объединяются в единое электрослабое взаимодействие.

Таким образом, при температурах достаточно больших, как показывает расчет, превышающих миллион миллиардов градусов, существует единое электрослабое взаимодействие между частицами. Его переносчики — упомянутые бозоны и ?-фотоны — имеются в изобилии и не обладают массами. Оказывается, что при этом нет массы не только у переносчиков взаимодействия, но и у всех перечисленных выше частиц — кварков и лептонов! В этом смысле они подобны фотонам. Что же происходит с понижением температуры?

Явная симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием нарушается, пропадает. Как и почему это происходит?

Дело в том, что в игру вступают новые поля и их кванты — новые частицы, о которых мы пока ничего не говорили. Это так называемые частицы Хиггса, названные по имени их изобретателя. Они-т? и нарушают симметрию. Если бы не было этих полей, то все частицы оставались бы безмассовыми и при низких температурах, и симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями сохранялась бы. Но прежде чем говорить о хиггсовских полях и нарушении симметрии между слабым и электромагнитным взаимодействиями, мы хотим напомнить читателю один простой опыт.

Представим себе шарик, который может кататься в ложбине, имеющей симметричную форму. Если положить шарик в любое место ложбины, то он скатится вниз на дно и, поколебавшись вокруг наинизшей точки, остановится на дне ложбины. Читатель, наверное, помнит, что чем выше поднимать какой-либо груз над наинизшим возможным уровнем, тем больше будет в поле тяготения его потенциальная энергия, пропорциональная высоте подъема. Таким образом, когда шарик находится где-то на склоне ложбины, его потенциальная энергия тем больше, чем он выше, а значит, чем дальше он находится от оси симметрии. На дне ложбины шарик имеет наименьшую энергию или, как иногда говорят, шарик находится на дне потенциальной ямы.

Пока все очень просто. Давайте теперь поставим вопрос: всегда ли при симметричной форме ложбины шарик успокаивается в положении на оси симметрии? Нет, это не всегда так. Сделаем в нашей ложбинке в центре небольшую горку. Где бы мы ни помещали теперь шарик, он, скатываясь, будет успокаиваться не на оси симметрии, а в наинизших точках сбоку от центральной горки. Его положение в покое будет явно несимметричным, несмотря на совершенно симметричную ложбину с горкой.

Правда, если положить шарик точно на вершину центральной горки, то он останется лежать в симметричном положении. Но это не может продолжаться долго, ибо такое положение неустойчиво и при малейшем возмущении он скатится вбок, занимая устойчивое несимметричное положение.

Этот пример показывает, как в совершенно симметричной системе с симметричным начальным положением (на вершине горки) возникает явно несимметричное устойчивое окончательное состояние. При этом нарушение симметричного состояния и то, куда скатится шар, зависят от случая и происходят внезапно, как говорят, спонтанно. Поэтому такой процесс нарушения симметрии получил название спонтанного.

Вернемся к частицам и полям. При их взаимодействиях также может возникать потенциальная энергия. При этом величина потенциальной энергии может условно описываться положением шарика в ложбине. В разных ситуациях ложбина может быть с центральной горкой или без таковой. Конечно, с непривычки читателю трудно представить себе, какое отношение поле может иметь к шарику в ложбине. Но абстрактные картинки широко распространены в науке. Здесь, в этой картинке, высота шарика над дном ложбины описывает потенциальную энергию поля.

Вернемся теперь к хиггсовским полям. Они могут находиться в двух состояниях. При температуре больше миллиона миллиардов градусов поля существуют в виде отдельных элементарных частиц. С понижением температуры до указанного значения хиггсовские поля претерпевают, как говорят, фазовый переход, они «конденсируются» подобно воде из охлаждаемого перегретого пара. При этом возникает «конденсат» хиггсовских полей, не зависящий ни от места в пространстве, ни от времени. И в создавшихся условиях его никак нельзя устранить. Таким образом, это, по существу, вакуум. Физики так и говорят — возник «новый вакуум».

Положение шарика на вершине центральной горки соответствует «старому вакууму». При больших температурах форма ложбины была другой, ее склоны поднимались вверх сразу от центра горки, и это положение шарика было устойчивым. «Старый вакуум» иногда называют «ложным вакуумом» или «вакуумноподобным состоянием». (Этот последний термин мы часто будем употреблять.) С понижением температуры форма ложбин приобретает вид ложбины с центральной горкой.

Образование нового вакуума эквивалентно скатыванию шарика в наинизшее состояние — в ложбину с центральной горки. Шарик скатывается в наинизшее энергетическое состояние и успокаивается на дне ложбины сбоку от центральной горки. Но положение его явно несимметрично. Возникло «перекошенное» состояние.

Поэтому хиггсовские поля расщепляются на непохожие составляющие. Одной соответствует квант — массивная частица, не обладающая спином, другой — частица нулевой массы, которая поглощается частицами-переносчиками, и из-за этого W⁺-, W^--, Z⁰ -бозоны  приобретают массу (мы не будем здесь объяснять, почему это происходит). Одновременно приобретают массу частицы материи с полуцелыми спинами — кварки и некоторые (а может быть, и все) лептоны. Последнее получается из-за того, что они взаимодействуют с несимметричным конденсатом хиггсовских полей, составивших новый (несимметричный) вакуум. Мы и здесь не будем пояснять, как это происходит. Подобное пояснение достаточно сложно, а мы и так, наверное, несколько перегрузили читателя необычной информацией.

Фотон же — переносчик только электромагнитных взаимодействий — остался безмассовым.

Вот к каким многогранным последствиям привело «скатывание» хиггсовских полей с понижением температуры в несимметричное состояние нового вакуума. Спонтанно нарушилась симметрия.

Наверное, несколько абстрактно и непривычно выглядят рассуждения о симметричном и несимметричном положении шарика, о «скатывании» полей с энергетических горок. Но ничего не поделаешь, даже в простейшем изложении от читателя здесь требуется некоторая внимательность и фантазия.

Теперь после «скатывания» уже переносчики слабого взаимодействия приобрели массу. Эта масса делает слабое взаимодействие чрезвычайно близкодействующим, а безмассовый фотон по-прежнему обеспечивает электромагнетизму дальнодействие. Теперь и не узнать былой симметрии. Та симметрия, которая была явной и очевидной при больших температурах, теперь нарушилась и стала скрытой.

Вот почему физикам было так трудно ее распознать в условиях сегодняшней Вселенной. Но они это сумели сделать! За создание единой теории электрослабых взаимодействий С. Вайнберг, Ш. Глэшоу и А. Салам были в 1979 году удостоены Нобелевской премии.

Теория рассмотренных процессов в самом начале расширения Вселенной, когда были огромные температуры, была предложена советским физиком Д. Киржницем. Позднее эта теория разрабатывалась им совместно с молодым физиком А. Линде.

Не все детали описанной выше картины подтверждены с одинаковой степенью надежности. Так, пока не обнаружены хиггсовские массивные частицы. По крайней мере один сорт таких тяжелых частиц должен остаться после описанных коллизий, и он должен существовать в сегодняшней Вселенной. Хотя обнаружить подобные частицы в эксперименте очень трудно, но физики верят в успех подобных поисков.

Обратимся теперь к сильным взаимодействиям. Частицы, испытывающие сильное взаимодействие, — кварки, и не испытывающие его — лептоны, выглядят по этому признаку как совершенно различные, их превращение друг в друга кажется невозможным.

Сильное взаимодействие, как уже было сказано, связано с наличием у кварков «цветных» зарядов, и поэтому его иногда называют цветной силой.

Начнем с рассмотрения следующего вопроса. Почему все же кварки находятся в связанном состоянии внутри бариона или мезона? Разве нельзя придать кварку достаточно большую энергию, оторвать его от других кварков (как бы сильно они ни были связаны друг с другом) и заставить вылететь из бариона?

Как мы увидим, парадоксальность ситуации заключается в том, что кварки почти совсем не связаны, когда находятся внутри адрона (то есть бариона или мезона), они свободны!

Для того чтобы разобраться в этом удивительном обстоятельстве, вернемся ненадолго к электромагнитному взаимодействию.

Рассмотрим заряженную частицу, например, позитрон в вакууме. Мы уже знаем, что в вакууме непрерывно происходит рождение и уничтожение электрон-позитронных пар — «кипение» вакуума. Таким образом, наш изолированный позитрон в действительности окружен возникающими и исчезающими положительными и отрицательными зарядами. Несмотря на кратко· временность существования этих зарядов, они успевают обменяться с позитроном виртуальными фотонами, то есть провзаимодействовать. При этом отрицательные заряды будут притягиваться к позитрону, а положительные отталкиваться. В результате вокруг позитрона все время будет некоторый небольшой избыток отрицательного заряда, который частично экранирует положительный заряд позитрона.

Явление это получило название поляризации вакуума. Она приводит к тому, что другие удаленные реальные частицы чувствуют заряд не «голого» позитрона, а частично заэкранированного — одетого в «шубу» из противоположных по знаку зарядов, то есть проявление положительного заряда позитрона будет ослаблено. Этот «ослабленный» заряд позитрона и измеряется в обычных опытах.

Если теперь пробные реальные частицы подносить к позитрону все ближе и ближе, то они будут проникать в глубь экранирующей «шубы». Между пробным зарядом и «голым» позитроном будет оставаться все более тонкий слой, а значит, экранирование станет ослабевать.

Таким образом, на малых расстояниях эффективный заряд позитрона становится больше, то есть электромагнитное взаимодействие усиливается по сравнению с простым законом Кулона, если в него подставить заряд позитрона, измеренный со сравнительно большого расстояния.

Таков вывод квантовой электродинамики — науки об электромагнитном взаимодействии элементарных частиц.

Вернемся теперь к цветным зарядам и обусловленным ими сильным взаимодействиям. Кстати, теория, описывающая эти взаимодействия, называется, по аналогии с квантовой электродинамикой, квантовой хромодинамикой.

Согласно выводам квантовой хромодинамики, рождение виртуальных пар кварков и антикварков должно приводить к эффектам экранирования цветных зарядов так же, как это было в квантовой электродинамике. Однако здесь возможен новый процесс, который отсутствует в квантовой электродинамике. Вспомним, что переносчики электромагнитных сил — фотоны — электронейтральны. Поэтому фотоны не могут порождать фотоны. В отличие от них переносчики цветной силы — глюоны — сами обладают цветным зарядом, а значит, могут производить новые виртуальные глюоны. Этот процесс ведет к «размазыванию» цветового заряда, то есть к явлению, прямо противоположному экранированию. И на малых расстояниях этот процесс преобладает над экранированием.

Теперь частица с цветовым зарядом, подходя все ближе к кварку и проникая все глубже в облако размытого цветового заряда, встречает в центральных частях все меньший и меньший заряд, и на достаточно малых расстояниях интенсивность взаимодействия ее с кварком ослабевает. Это явление называют асимптотической свободой частиц на совсем малых расстояниях, так как они практически не взаимодействуют и свободны. С увеличением же расстояния все более далекие части размазанного цветового заряда включаются во взаимодействие с частицей, и его эффективность нарастает, поддерживая постоянной силу взаимодействия. Согласно современным представлениям с увеличением расстояния цветная сила не уменьшается (как в случае электрической силы), а остается постоянной. Поэтому, чтобы все дальше и дальше удалять взаимодействующие цветовой силой частицы друг от друга, надо затрачивать энергию, и при росте расстояния между частицами требуемая энергия нарастает линейно с расстоянием.

Это необычное свойство цветной силы, вероятно, и обусловливает невозможность вырвать изолированный кварк из адрона. Ситуация похожа на такую, когда взаимодействующие частицы как бы связаны резиновым шнуром. Если сообщить кварку очень большую энергию, то «резиновый шнур» разорвется и на месте разрыва за счет сообщенной энергии возникнет пара «кварк и антикварк». Улетающий кварк утащит за собой возникающий на месте разрыва антикварк, и вместе они составят мезон, который и вылетит из адрона вместо одиночного кварка.

Таким образом, кварки «заперты» внутри адронов. Они образуют системы, которые в целом нейтральны по цвету. А поскольку глюоны тоже цветозаряжены, то они также «заперты» внутри адронов. Вот почему, несмотря на то, что переносчики сильного взаимодействия — глюоны — обладают нулевой массой, как и фотоны, сильное взаимодействие, в отличие от электромагнитного, не простирается на большие расстояния, а ограничено примерно объемом адронов. Размер адронов порядка размеров атомного ядра.

Как уже говорилось, при температуре более миллиона миллиардов градусов существует единое электрослабое взаимодействие. При меньшей температуре оно распадается на электромагнитное и слабое. Внешне эти взаимодействия совсем не похожи друг на друга. Сильное (цветное) даже при столь высоких температурах держится совершенно особняком, оно не похоже на электрослабое взаимодействие. Если в электрослабых взаимодействиях участвуют все частицы — и лептоны, и кварки, — то в сильных только кварки.

Все процессы, которые мы до сих пор рассматривали, не могут вести к превращению, например, кварка в лептон или кварка в антикварк. Конечно, при столкновении достаточно энергичных лептонов могут рождаться и кварки, но обязательно в паре с антикварками, так, чтобы суммарное количество тех и других было одинаковым. Точно так же столкновение кварка с антикварком приводит к их аннигиляции — превращению в лептоны и фотоны, но при этом исчезает обязательно пара, поодиночке кварки исчезать не могут.

Таким образом, в природе должна сохраняться разность числа кварков и антикварков. Эту разность называют барионным зарядом (точнее, барионным зарядом называют разность, деленную на три). До сих пор во всех экспериментах физиков барионный заряд сохранялся. Не могут ли при очень больших энергиях, намного превышающих уже рассмотренные (тоже немалые!), происходить какие-либо реакции, которые не сохраняют барионный заряд и которые невозможны при меньших энергиях и поэтому не были замечены физиками?

Оказывается, как утверждает теория, такие процессы возможны, но только при совершенно фантастических энергиях.

Мы рассматривали энергии, которыми обладают частицы при температуре в миллион миллиардов градусов. Теперь нам предстоит обратиться к температурам и энергиям еще в тысячу миллиардов раз большим.

Что же происходит при таких больших энергиях?

Прежде всего заметим, что чем больше энергия, тем на меньшее расстояние могут сблизиться сталкивающиеся частицы (это следует из соотношения неопределенностей квантовой механики).

Мы уже знаем, что по мере уменьшения расстояния между взаимодействующими частицами (что требует увеличения энергии сталкивающихся частиц) эффективность электромагнитного взаимодействия нарастает, а сильного — падает из-за процессов взаимодействия с вакуумом (разобраны выше экранировки и антиэкранировки).

Оказывается, что на малых расстояниях, которые в миллион миллиардов раз меньше атомного ядра, а значит, и при больших энергиях, соответствующих температуре в миллиард миллиардов миллиардов градусов, все три вида взаимодействий — электромагнитное, слабое и сильное — должны стать одинаково эффективными, потерять свою индивидуальность. При энергиях, больших указанной, должно существовать единое Великое (универсальное) взаимодействие.

При столь больших энергиях интенсивно рождаются новые частицы — переносчики универсального взаимодействия — очень массивные X- и Y-бозоны. Их массы в тысячу миллиардов раз больше масс W⁺-, W^--, Z⁰ -бозонов, рассмотренных нами в электрослабых взаимодействиях. Столь тяжелые частицы могут рождаться только при очень больших энергиях. До сих пор, когда говорилось о существенно меньших энергиях, мы с этими частицами не встречались.

Свойства X- и Y-переносчиков поистине удивительны: они могут превращать кварки в лептоны и обратно, а также кварки в антикварки. Таким образом, X-и Y-частицы — это своеобразные лептокварки. Теперь стерлось различие между кварками и лептонами, которое существовало при низких температурах, и они выступают как различные проявления некой «сверхчастицы». Это исчезновение различия означает возникновение новой, более высокой симметрии — симметрии Великого объединения.

Мы помним, что рассмотренные нами до сих пор частицы (кроме X- и Y-бозонов) при температуре больше миллиона миллиардов градусов не имеют массы покоя. При температурах еще в тысячу миллиардов раз большей (температуре Великого объединения) уже все частицы, в том числе и Х- и Y-бозоны, не имеют массы покоя.

Кроме уже встречавшихся нам частиц, при этих температурах существует еще один набор хиггсовских частиц (отличный от того, с которым мы встретились ранее). С понижением температуры ниже температуры Великого объединения срабатывает уже знакомый нам хиггсовский механизм, приводящий к нарушению симметрии, на этот раз симметрии Великого объединения. Только здесь явления, подобные описанным нами ранее, происходят с этими новыми хиггсовскими частицами.

При температурах, больших температуры Великого объединения, хиггсовские частицы были свободными. С падением температуры образуется «конденсат» хиггсовского поля — новое низшее состояние системы, то есть еще одна разновидность вакуума. Это уже третья по счету.

Разные вакуумы, или лучше сказать разные «вакуумноподобные состояния», обладают разной плотностью энергии. Из-за образования хиггсовского «конденсата» X- и Y-бозоны (переносчики универсального взаимодействия) приобретают массу — они становятся сверхтяжелыми. Рождаться при низких температурах они не могут. Единое взаимодействие теперь расщепляется на сильное и электрослабое.

Итак, мы видели, что с повышением энергии, с повышением температуры разные виды взаимодействий, совсем непохожие в обычных условиях, приобретают схожие черты и сливаются в единое взаимодействие.

На наших глазах происходит осуществление великой научной мечты А. Эйнштейна — мечты об объединении всех сил природы. При энергиях Великого объединения сливаются воедино три силы: электромагнитная, слабая и сильная. Единственная сила, оставшаяся пока в стороне, — это гравитационная, действию которой подвергаются абсолютно все виды материи. Осталось немного — объединить при каких-то совсем сверхбольших температурах силу гравитации с уже объединенной универсальной силой Великого взаимодействия. Но этот последний шаг в теории оказался и самым трудным.

Прежде чем обратиться к современным попыткам теоретиков объединить силу гравитации с другими силами природы, давайте вспомним, что природа гравитационного поля, по существу, геометрическая — это кривизна пространства-времени. Добавим еще, что гравитационное поле, как и электромагнитное, в определенных условиях может проявлять квантовые свойства.

Известно, что квантами электромагнитного поля являются фотоны. А кванты гравитационного поля это гравитоны — пока еще не открытые гипотетические частицы — переносчики гравитационного взаимодействия. Они обладают целым спином, равным 2. Гравитоны, так же как и фотоны, не обладают массой покоя и всегда движутся со скоростью света.

А. Эйнштейн был глубоко убежден в том, что и природа электромагнитного поля также должна быть геометрической. Всю вторую половину жизни он посвятил попыткам найти геометрическое представление электромагнитного поля, которое, как он считал, определяет макроскопические свойства вещества. В его уравнениях тяготения с одной стороны стоят величины, описывающие кривизну пространства-времени (так называемый тензор кривизны), а с другой — источник тяготения, источник кривизны — величины, описывающие вещество и негравитационные поля (так называемый тензор энергии — импульса материи).

А. Эйнштейн верил, что такая двойственность должна быть чуждой и противоестественной для окончательной теории. Если слева в уравнениях стоят геометрические величины, то и справа должны быть величины той же геометрической, по существу, природы. А это значит, считал он, что описание вещества и полей должно быть геометрическим. Известный польский ученый Л. Инфельд вспоминает, как А. Эйнштейн ему сказал однажды: «…теория относительности опирается на две колонны. Одна из них — мощная и прекрасная, будто выточенная из мрамора. Это — тензор кривизны. Вторая — шаткая, словно соломенная. Это тензор энергии-импульса… Мы должны оставить эту проблему будущему».

Настойчиво работая над проблемой более трех десятков лет, А. Эйнштейн думал, что недалек от окончательного решения. В 1945 году он писал Л. Инфельду: «Я надеюсь, что открыл, как тяготение и электричество связаны друг с другом, хотя до физического оправдания еще далеко». В своих попытках объединить электричество и гравитацию он ввел еще «закрученность» пространства-времени для описания электромагнитных явлений. Однако эти его конкретные попытки к успеху не привели и объединенная теория создана не была.

В 20-е годы немецкий физик Т. Калуца и шведский физик О. Клейн попытались объединить гравитацию Эйнштейна и электромагнетизм Максвелла также на геометрической основе, но идя совсем другим путем. Они предположили, что пространство-время отнюдь не четырехмерное (три пространственные координаты плюс время), а пятимерное, и ввели еще одну пространственную координату. Эти физики написали уравнения для искривленности пятимерного мира, подобные уравнениям гравитации Эйнштейна для четырехмерного мира. Оказалось, что дополнительные уравнения, которые при этом возникают из-за наличия еще одного измерения, являются уравнениями электродинамики Максвелла. Таким образом, оказалось, что электромагнетизму можно также придать геометрический смысл, правда, весьма необычный — связанный с наличием пятого измерения.

Попытку объединения Т. Калуцы и О. Клейна также нельзя было признать окончательно успешной. Помимо многих трудностей, о которых мы здесь говорить не будем, в их теории существует вполне очевидная проблема: почему добавочное пространственное измерение никак реально не проявляется в нашем мире? Почему мы с течением времени можем перемещаться в пространстве только в трех направлениях (длина, ширина, высота), но не можем двигаться в этом, еще одном дополнительном измерении?

Для устранения этой трудности Т. Калуце и О. Клейну приходилось делать дополнительные, весьма искусственные предположения, запрещающие, по существу, двигаться в новом измерении.

Таким образом, первые попытки объединения сил природы можно считать только весьма предварительной разведкой. Мы уже знаем, что в середине нашего столетия многие физики относились к этим попыткам весьма скептически.

Но вернемся в наше время. Выше было описано, как современные физики пришли к понятию единства разных сил природы при больших энергиях. Для этого использовались и геометрические идеи — идеи симметрии. Однако это была симметрия не в реальном физическом пространстве-времени, а в воображаемом абстрактном пространстве, изображающем различные состояния частиц и полей, то есть в абстрактном пространстве, описывающем внутренние характеристики частиц.

Теперь, когда мы обращаемся к идее объединения всех сил с гравитацией, нам надо вспомнить, что гравитация связана с кривизной реального пространства-времени. Поэтому при построении суперобъединения нам невольно придется как-то объединить геометрические характеристики четырехмерного пространства-времени с характеристиками пространства внутренних состояний. Как это можно сделать? И какой в этом смысл?

Прежде чем приступить к рассказу об этом, отметим еще одно обстоятельство. Рассматриваемые нами частицы мы делили на два больших класса: на фермионы — частицы физической материи и бозоны — частицы-переносчики взаимодействий. Первые обладают полуцелым спином, вторые — целым. Эти два класса частиц совершенно различны по своим свойствам. До сих пор, когда мы говорили о взаимодействиях, эти два класса выступали в совершенно разных «ипостасях». Бозоны, передавая взаимодействие, как бы «обслуживали» фермионы. Не могло быть и речи о превращении фермионов и бозонов друг в друга.

Но если речь идет об универсальном объединении всех видов взаимодействий в некое единое взаимодействие, то возникает мысль: нельзя ли и фермионы, и бозоны тоже объединить в какую-то единую сущность? Тогда фермионы и бозоны будут только разными ее проявлениями. После того, как мы уже познакомились с объединением современной физикой столь несхожих вещей, как, например, пространство и время, электромагнетизм и ядерные силы, мысль об объединении составных частей вещества и переносчиков сил уже не кажется столь абсурдной.

Более того, оказалось, что объединение гравитационных сил с другими силами включает в себя и объединение бозонов и фермионов, возможность их превращения друг в друга.

Конечно, эта суперсимметрия всех сил, всех частиц может проявиться только при очень больших энергиях, а в обычных условиях должна быть тщательно скрыта, нарушена, то есть частицы вещества, частицы-переносчики и разные силы совсем не похожи друг на друга. Каковы же должны быть те энергии, при которых проявляется единая природа всех фундаментальных взаимодействий?

Эту энергию легко оценить. Действительно, здесь должны проявиться все фундаментальные силы, а значит, должны одновременно играть роль фундаментальные константы, описывающие: 1) квантовые свойства материи (это постоянная Планка ?); 2) предельные скорости (константа c); 3) тяготение (константа G).

Из этих констант можно скомбинировать величину размерности энергии (ее называют планковской энергией). Она оказывается еще в сто тысяч раз большей, чем температура Великого объединения.

Эта энергия и должна быть энергией объединения всех сил в природе, включая гравитационные. Ее называют энергией «суперобъединения». Ей соответствует температура в сто тысяч миллиардов миллиардов миллиардов градусов.

Мы вынуждены будем ограничиться совсем краткими замечаниями по поводу некоторых современных вариантов суперобъединения. Причин здесь несколько. Во-первых, пояснения очень трудно сделать качественно, то есть без формул, да к тому же необходима краткость, ибо все же цель нашей книги несколько иная. Во-вторых, специалисты еще отнюдь не уверены, что они здесь выявили хотя бы главные черты явлений, и работа продолжается широким фронтом и в разных направлениях.

Напомним прежде всего попытку объединения в один объект гравитации и электромагнетизма, сделанную Т. Калуцей и О. Клейном. Для этого потребовалось ввести дополнительное пространственное измерение.

Нам теперь предстоит объединить с гравитацией все виды сил и частиц. Возникает идея — нельзя ли сделать это, введя новые дополнительные измерения пространства. Эта идея оказалась весьма плодотворной. В настоящее время есть варианты теории, в которых рассматриваются и 10, и 11 и даже 26 измерений вместо обычных четырех у пространства-времени. (Наиболее предпочтительна, вероятно, теория с 10 измерениями.)

Геометрические свойства этих дополнительных измерений и позволяют с единой точки зрения описать все проявления свойств вещества и переносчиков взаимодействий. Тем самым осуществляется великая мечта А. Эйнштейна.

Но спрашивается, как же решается уже отмечавшаяся проблема: почему мы не обнаруживаем на практике реально дополнительных измерений в нашем мире, то есть почему, например, в этих дополнительных направлениях нельзя двигаться, как это иногда описывается в фантастических романах?

Выход из этого затруднения состоит в идее так называемой компактификации. Согласно этой идее дополнительные пространственные измерения скручены, замкнуты (как одно из измерений листа, свернутого в цилиндр). Эти дополнительные измерения компактифицируются, когда энергия уменьшается ниже планковской. Причем радиус «свернутых» измерений ничтожен — он равен планковской длине, о которой мы говорили выше. Он в сто миллиардов миллиардов раз меньше размеров атомного ядра.

Ясно, что ничтожная протяженность в дополнительных измерениях в обычных условиях сравнительно небольших энергий и не позволяет обнаружить эти измерения. Они проявляются только косвенно в виде разнообразия многих сил и зарядов частиц.

Суперсимметрия предполагает существование целого ряда новых частиц. Мы подчеркивали, что суперсимметрия объединяет фермионы и бозоны. Каждому полю, каждой частице здесь соответствует суперпартнер. Так, помимо гравитона — переносчиков гравитационных сил со спином 2, являющихся бозонами, теория включает еще также гравитино — частицы со спинами 3/2 (то есть фермионы), которые в обычных условиях обладают массой (вероятно, порядка ста или тысячи масс протона). Фотону соответствуют тяжелые фотино со спином 1/2 (масса их, вероятно, также порядка ста или тысячи масс протона) и т. д. Все эти частицы пока не открыты.

Существуют теории с весьма сложными и экзотическими наборами частиц. Мы, однако, вынуждены здесь остановиться в нашем увлекательном путешествии в область, еще в значительной степени неизведанную.

Наше краткое знакомство с удивительным микромиром позволит теперь рассмотреть, что было в самом начале расширения мира, то есть как взорвалась наша Вселенная.

В двух предыдущих и в нескольких последующих главах мы много говорим о достижениях современной физики и астрофизики и не так уж часто обращаемся к самому понятию времени. На первый взгляд это кажется странным в книге, главным героем которой является время. Но это только на первый взгляд. Необычные свойства времени, раскрывающие его суть, проявляются в процессах, протекающих в самых глубинах микромира и в далеких просторах космоса. Только достаточно подробное знакомство с этими процессами позволит нам продолжить рассказ о времени.