Перед тем, как изложить принципы теории струн Брайан рассказывает нам об изящности и красоте общей теории относительности, забыв напрочь о гравитонах. Правда с оговоркой касательно ОТО по Фрейду – “была”.

Хотелось бы, чтобы и другие теории были также эстетически выверены, хотя это не всегда и возможно. Поэтому выставляются определенные требования к научным теориям.

Глава 7. «Супер» в суперструнах

мы определённо требуем, чтобы любая разумная теория не содержала логически абсурдных положений. Другие решения обусловлены преимуществами одних теоретических конструкций над другими с точки зрения их следствий для экспериментальных исследований; обычно нас мало интересуют теории, содержимое которых не имеет отношения ни к чему, с чем мы сталкиваемся в окружающем нас мире.

Наверно более абсурдных положений, чем положения о суперпозиции или дуализме в природе не существует, но … они существуют в виде конфигураций нейротрансмиттеров в головах достаточно большого количества человек, считающих себя учеными.

А вот какая из теоретических конструкций (ОТО или гравитон) окажется более преимущественна к явлению гравитации, с которым мы сталкиваемся ежесекундно, надо было бы уже решить. И неважно, что будет превалировать в этом решении: эстетика со своей элегантностью и красотой или дубовая логика.

Брайан придает большое значение эстетике по той причине, что одну из ключевых ролей в эстетических принципах играет симметрия. А благодаря этой симметрии физики смогли разработать теории, в которых частицы вещества и частицы, передающие взаимодействие, переплетены более тесно, чем это считалось возможным когда-либо ранее. Подобные теории, объединяющие не только существующие в природе взаимодействия, но и материальные компоненты, имеют максимально возможную степень симметрии. По этой причине такие теории получили название суперсимметричных.

Какое может быть более тесное переплетение между частицами вещества и частицами, которые передают взаимодействие (хотя передача это и есть взаимодействие), кроме того, что частицы-передатчики являются частью частиц вещества (фотон часть электрона, то же относится к гравитону и другим частицам-переносчикам) между которыми осуществляется перенос энергии. Будет ли тесное переплетение представлено какими-нибудь материальными сущностями дальше или оно будет представлено только фактом переплетения? А пока:

Как мы увидим ниже, теория суперструн является одновременно предтечей и кульминацией суперсимметричных моделей.

Характер физических законов

В этом разделе напоминают нам о свойствах физических законов:

что нам известно на сегодняшний день, состоит в том, что законы природы неизменны.

всё, что мы знаем на сегодняшний день, говорит о том, что повсеместно действуют одни и те же законы физики.

Это все верно, только нам не надо путать законы природы объективные и законы природы сформулированные человеком. Свет распространяется в вакууме со скоростью, примерно, равной 300 000км/сек – это объективный закон природы. А то, что некий объект может быть одновременно и нулем и единицей, то есть находиться одновременно в двух различных состояниях по одному и тому же параметру (суперпозиция), - это закон вымышленный. Он действует только в головах некоторых людей, поэтому эту конструкцию законом признать нельзя. 

Дальше объясняются понятия симметрии и их количество. Вот один вид симметрий:

Физики называют эти два свойства физических законов, а именно то, что они не зависят от того, когда или где мы их применяем, симметриями природы. Используя этот термин, физики имеют в виду, что природа трактует каждый момент во времени и каждую точку в пространстве идентично, симметрично, гарантируя, что будут действовать одни и те же фундаментальные законы.

Второй вид симметрий такой:

Вспомним, что принцип относительности, который лежит в основе специальной теории относительности, гласит, что законы физики будут одинаковы для наблюдателей, движущихся равномерно относительно друг друга. Этот принцип представляет собой разновидность симметрии, поскольку он означает, что природа относится к наблюдателям совершенно одинаково, симметрично.

Этот тип симметрии расширил Эйнштейн:

Открыв принцип эквивалентности, основу общей теории относительности, Эйнштейн значительно расширил этот тип симметрии. Он показал, что законы физики в действительности идентичны для всех наблюдателей, даже для тех, которые находятся в состоянии сложного ускоренного движения.

Есть еще такой вид симметрии.

Есть ли ещё принципы симметрии, имеющие дело с пространством, временем и движением, которым должны удовлетворять законы физики?

Этот принцип известен под названием вращательной симметрии, он означает, что законы физики трактуют все возможные направления как равноправные.

Возможно, что на этом все виды симметрии исчерпаны, и это положение подтверждается научной теорией.

Существуют ли какие-либо ещё принципы симметрии? Не пропустили ли мы какой-нибудь из них?

На самом деле в 1967 г. физики Сидни Коулмен и Джеффри Мандула сумели доказать, что никакие другие виды симметрии, связанные с пространством, временем или движением, не могут сочетаться с принципами симметрии, рассмотренными выше, и приводить к теории, имеющей какое-либо отношение к нашему миру.

Если в это поверить, то искать другие виды симметрии, кажется, нет смысла. Но закон, “если нельзя, а хочется, то можно”, оказался законнее закона Сидни Коулмен и Джеффри Мандула.

Однако впоследствии более тщательное изучение этой теоремы, основанное на догадках ряда физиков, позволило обнаружить одну небольшую лазейку: результат Коулмена–Мандулы не охватывает симметрии, связанные с понятием, известным как спин.

Интересно, в чем же заключается симметрия, связанная со спином?

Спин

История открытия спин примерно такова.

В 1925 г. голландские физики Джордж Уленбек и Сэмюэль Гоудсмит осознали, что многие удивительные результаты, относящиеся к свойствам излучаемого и поглощаемого атомами света могут быть объяснены, если предположить, что электроны обладают некоторыми весьма специфичными магнитными свойствами.

Примерно за сто лет до этого французский физик Андре-Мари Ампер показал, что магнетизм обязан своим происхождением движению электрических зарядов. Уленбек и Гоудсмит исследовали этот факт и установили, что только один конкретный вид движения электрона может привести к появлению магнитных свойств, на которые указывали экспериментальные данные: это было вращательное движение — спин электрона. Вопреки канонам классической физики, Уленбек и Гоудсмит провозгласили, что электрон, подобно Земле, может кружить по орбите и одновременно вращаться вокруг собственной оси.

Это чудное открытие и оно родилось из философии, а не математических формул.

Согласно их работе и данным последующих исследований, каждый электрон во Вселенной всегда вращается с постоянной и никогда не меняющейся скоростью. Спин электрона не является промежуточным состоянием движения, которое мы наблюдаем в случае более привычных объектов, по тем или иным причинам пришедших во вращение. Напротив, спин электрона является внутренним, присущим электрону свойством, похожим в этом отношении на массу или электрический заряд. Если бы электрон не вращался, он не был бы электроном.

Когда такое читаешь – душа радуется. Жаль, что многим это не понятно. Брайан попытался сравнить это вращение электрона с вращением фигуриста, и это сравнение оказалось не слишком удачным. И главной неудачей в этом Брайан считает, что фигурист, в конце концов, остановится после того как запасенная энергия вращения будет израсходована. Все верно, но есть другое сравнение более близкое к истине. Это сравнение вращения электрона с воронкой жидкости. Каждый видел, как жидкость сливается через отверстие, например, вода в раковине. Слои воды движутся по окружности друг относительно друга с различной скоростью. Если бы вода, окружающая воронку, на какое-то мгновение вдруг исчезла, то мы бы увидели вращающуюся воронку. Конечно и в этом случае вращение воронки конечно. Как только поступление воды прекратится, исчезнет и воронка.

А теперь представьте, что молекулы воды обладают физическим свойством двигаться самостоятельно непрерывно и с постоянной скоростью. Если электрических сил будет достаточно для удержания молекул воды на окружности, то такая воронка сможет существовать вечно, и будет очень похожа на вращающийся электрон. Электрон образуют не молекулы воды, а фотоны, которые он излучает и поглощает при изменении своей скорости, это и является внутренним, присущим электрону свойством. Здесь Уленбек и Гоудсмит попали в точку, но, к сожалению, не раскрыли физики явления.

Скорость света, диалектическая скорость кванта, и представляет квантово-механическую меру скорости вращения частиц. Этой квантово-механической мере скорости вращения электрона ученые поставили в соответствие число ½. Все частицы вещества (а также их античастицы) имеют спин, равный спину электрона. А вот частицы-переносчики – фотоны, калибровочные бозоны и глюоны – обладают спином 1. Гравитон, по мнению ученых, должен обладать спином 2. Ясно, что это чисто математические числа. Если с удвоенной скоростью света можно согласиться, по той причине, что магнитные и электрические поля могут распространяться быстрее скорости самого кванта, то учетверенные скорости в модели гравитона не следует ни откуда. Гравитон не может содержать субстрат отличный от магнитного и электрического полей. По крайней мере, человечество ничего об этом не знает. Спин 2 появился так:

В 1974 г. Шерк и Шварц провозгласили, что теория струн должна рассматриваться как квантовая теория, включающая гравитационное взаимодействие. Такой вывод стал возможен потому, что они обнаружили: в спектре колебаний струн обязательно должна присутствовать мода, которая соответствует безмассовой частице со спином 2. Но именно эти характеристики являются отличительными признаками гравитона. А где гравитон, там и гравитация.

И видите, какая категоричность: где гравитон, там и гравитация. А как же общая теории относительности? Как же кривое пространство-время? Что его изгибают не взаимодействующие массы, а гравитон? Ну и дела …

Наверное, я не справедливо придираюсь к автору. Может быть, он  добросовестно и темпераментно излагает все версии, не выказывая явно свое отношение к ним, а нам просто предлагается выбирать нужный нам вариант версии. 

Получив основные представления о спине, вернёмся к той роли, которую он играет в качестве упомянутой в предыдущем разделе лазейки в обход теоремы Коулмена–Мандулы, касающейся возможных видов симметрии в природе.

Какую же лазейку дал спин ученым, чтобы обойти такую строгую теорему Коулмена–Мандулы?

Суперсимметрия и суперпартнёры

Логика рассуждений в этом случае проста. Обычное вращательное движений симметрично относительно направлений вращений в пространстве. Если бы добавили еще вращение вправо влево, то эта симметрия была бы более близкой к нашей обычной симметрии. Не добавили. Наверное, это не вкладывалось в математические изыски или просто забыли.

Поскольку никаких других вращательных моделей (воронка, смерч, торнадо, плазма в ловушке и возможно другие) кроме фигуриста (жесткой структуры) найти не удалось, то и порешили, что это особый вид вращательного движения, который попросту не существует в чисто классической Вселенной. А именно это более специфическое вращательное движение ведет ещё к одному принципу симметрии законов природы. И получилось, что если рассматривать спин с математической точки зрения, возможна ровно одна дополнительная симметрия законов природы. Она получила название суперсимметрии.

Суперсимметрии, так же как дуализму или суперпозиции, ничего не может быть поставлено в соответствие простое и интуитивно понятное изменение точки зрения наблюдателя, то есть, нет никаких разумных слов и образов,  которыми можно было бы объяснить суперсимметрию.

Однако поскольку спин представляет собой «подобие вращательного движения, имеющее квантово-механическую природу», суперсимметрия связана с изменением точки зрения наблюдателя в «квантово-механическом расширении пространства и времени». Кавычки здесь очень важны, поскольку последняя фраза даёт только общее представление о месте суперсимметрии в общей системе принципов симметрии природы.

Как видите с позиции обычного пространства-времени явление спина объяснить или понять не возможно, это не та точка, с которой мы видели бы спин. Чтобы понять спин надо войти в квантово-механическое расширенное пространство и время. Но как попасть в это расширенное пространство и время, да еще и квантовое, если мы не знаем почти ничего о кванте? Знаем, что квант это минимальная величина, и он представляется электромагнитной волной. А, допустим, сколько волн в кванте мы не знаем. Из одного этого следует, что мы ничего не знаем о нем. Объективный реальный путь в это пространство –  время закрыт. Остается путь математики, но он сложен, что признает Брайан:

Однако понимание принципа суперсимметрии является довольно сложной задачей, и мы сконцентрируем внимание на его основныхследствиях, на том, согласуются ли законы природы с этим принципом. Этот вопрос гораздо легче поддаётся объяснению.

Наличие суперсимметрии дало возможность ученым говорить, что частицы природы должны существовать парами:

Такие пары частиц — независимо от того, считаются ли они точечными (как в стандартной модели) или крошечными колеблющимися петлями — называются суперпартнёрами.

Но тут случилась одна небольшая неприятность:

К середине 1970-х гг., когда физики искали способ, который позволил бы включить суперсимметрию в стандартную модель, они обнаружили, что ни одна из известных частиц, перечисленных в табл. 1.1 и 1.2, не может быть суперпартнёром для другой.

И хуже всего, что ни для одной из известных частиц пока не обнаружен ни один суперпартнёр. И обнаружить суперпартёра очень сложно, ибо как показывают расчеты энергия этих частиц во много раз больше энергии наблюдаемых частиц. Не хватает энергии ускорителей.

По этим причинам интерес к суперсимметрии падает, но как считает Брайан Грин есть три причины, которые позволяют верить в наличии суперсимметрии.