– Я все время думаю об инвариантности и ее связи с симметрией, – сказал отец, передавая мне сироп.
Мы сидели в блинной и завтракали.
– Теорема Нётер утверждает, что для каждой непрерывной симметрии есть свой интеграл движения – инвариант. Если мы ищем инварианты, то симметрии помогут нам их найти.
– Наверное, так и есть, – сказала я. – Симметрии говорят нам о том, что остается неизменным при переходе от одной системы отсчета к другой.
Я в это время решала сложную задачу: начать ли мне завтрак с омлета или с блинов. Они выглядели симметрично вкусно. Я даже вспомнила какого-то философского осла, умершего с голоду. Буриданова, что ли?
– Правильно. Снежинка после поворота на шестьдесят градусов выглядит так же, как до поворота, то есть она обладает осевой симметрией шестого порядка. Но это дискретная симметрия, она не исключает таких преобразований системы отсчета, при которых, как, скажем, при повороте на шестьдесят четыре градуса, снежинка не совпадет сама с собой. Поэтому чтобы найти настоящие инварианты, нам потребуется непрерывная симметрия, которую не нарушит никакое преобразование системы отсчета.
– Хорошо, – сказала я, – давай рассматривать непрерывные симметрии.
Я все-таки решила начать с блинов. Симметрия была нарушена. Осел сегодня не собирался умереть от голода.
– Ну, трансляционная симметрия пространства дает нам сохранение импульса, вращательная симметрия пространства сохраняет угловой момент, – сказал отец. – Смещение во времени сохраняет энергию. Вращательная симметрия четырехмерного пространства-времени сохраняет пространственно-временной интервал. А калибровочная симметрия сохраняет заряд.
– Хорошо. Значит, у нас уже есть несколько претендентов на подлинное существование. Давай составим список, – сказала я, вынимая ручку из сумки. Взяла салфетку и написала на ней: «Ингредиенты окончательной реальности».
– Давай просто перечислим все, что могло бы быть реальным, и после этого мы рассмотрим их более детально. Давай посмотрим… пространство, время, пространство-время, гравитация, электромагнетизм, ядерные взаимодействия, масса, энергия, импульс, момент импульса, заряд… что еще?
– А как насчет количества измерений? – спросил отец. Я записала на салфетке и это.
– Или элементарные частицы? Мы ведь должны предположить, что элементарные частицы тоже реальны, верно?
– Если только они не струны, – сказала я.
– Ну, частицы – это возбужденные состояния поля, поэтому частицы нельзя отделить от полей. А поля определены в вакууме.
Я кивнула, добавив их в список. Частицы/поля/вакуум. Струны.
– Как насчет Вселенной? Я надеюсь, что она реальна. Может быть, она подходит нам по умолчанию?
Отец покачал головой:
– Ничто в физике не делается по умолчанию.
Я добавила Вселенную в список. И, немного подумав, добавила мультивселенную тоже.
– Скорость света, – сказал отец, указывая на список и одновременно сделав глоток кофе. – Это однозначно инвариант.
Я записала: «Скорость света».
– Бостром сказал бы, что мы должны рассмотреть реальность самой реальности, – сказала я. – Но боюсь, что добавление ее в этот список может отправить нас в своеобразную бесконечную башню, построенную из черепах.
– Пропустим, – кивнул он. – Это как рассматривать пирожное в качестве ингредиента самого пирожного.
– Итак, давай посмотрим, – сказала я, переворачивая салфетку, чтобы мы могли оба читать список. – Исходя из теории относительности, мы можем поставить крест на пространстве и времени. И то и другое зависит от наблюдателя.
– Можно вычеркнуть гравитацию, – сказал папа. – И все другие взаимодействия. Все они фиктивны. Как насчет массы? Масса – это инвариант, верно? По крайней мере, масса покоя?
Я сделала глоток кофе и покачала головой:
– Это не так. Масса покоя – это инвариант в специальной теории относительности, но в общей теории относительности она не определена. Для того чтобы ее определить, нам придется нарушить принцип общей ковариантности: мы должны будем определить координатную ось времени, а это приведет к выделенной системе отсчета. Масса определяется только относительно конкретной системы отсчета, и поскольку соотношение E = mc2 связывает массу с энергией, то же самое касается и энергии. И масса и энергия зависят от системы отсчета наблюдателя.
Я вычеркнула их из списка.
– Импульс и угловой момент определяются через массу, так что они тоже становятся зависимыми от наблюдателя в рамках общей теории относительности.
– Даже в квантовой теории поля масса изменяется в зависимости от масштаба, – сказал отец. – В зависимости от разрешении, с которым она измеряется.
Я кивнула.
– Стандартная модель говорит, что все частицы в конечном счете безмассовые – масса возникает как следствие нарушения симметрии или структуры вакуума при низких энергиях или при взаимодействии с бозоном Хиггса. При достаточно высоких энергиях массы исчезают.
– Мы должны добавить бозон Хиггса в список?
– Я думаю, частицы/поля/вакуум включают его.
– Ладно, – сказал отец, переходя вниз к следующей позиции на салфетке. – А что насчет заряда? Зарядовая четность ведь нарушается в некоторых видах слабого ядерного распада?
– Да, – сказала я. – Она сохраняется, только когда мы используем ее одновременно вместе с пространственной четностью и отражением времени. Но CPT-инвариантность – это просто Лоренц-инвариантность. Лоренц-инвариантность сохраняет пространственно-временные интервалы. Так что нам нужно сохранить пространство-время в списке.
– Мы можем вычеркнуть спин, – сказал отец. – Суперсимметрия показывает, что то, что представляется как бозон в одной системе, выглядит как фермион в другой.
Это был хороший аргумент. Обычно легко отличить бозоны, переносчики взаимодействия, которые обладают целочисленным спином, и фермионы, или частицы материи, которые несут полуцелый спин: просто поверните частицу на 360 градусов, и если она будет выглядеть точно так же, как и до вращения, то это бозон. Если же амплитуда ее волновой функции окажется перевернутой и вы должны повернуть ее второй раз, в сумме на семьсот двадцать градусов, чтобы она выглядела точно так же, как вначале, то это фермион.
Чтобы превратить фермион в бозон и наоборот, необходимо некоторым способом преобразовать амплитуду его волновой функции. Вы можете это сделать, если добавите несколько дополнительных измерений. Не пространственных измерений, а математических. При вращении частицы в дополнительных измерениях положительная амплитуда станет отрицательной, а отрицательная амплитуда положительной[30], целый спин – полуцелым, и наоборот. В многомерном суперпространстве бозоны и фермионы идентичны. В обычном пространстве они – разные тени одного и того же куска картона, их различие зависит от системы отсчета, в которой они рассматриваются.
– Мы принимаем суперсимметрию? – спросила я.
Экспериментальных подтверждений суперсимметрии пока нет. Если бы реальность действительно была суперсимметричной, у каждого бозона был бы свой партнер-фермион, и наоборот. В каждой паре частицы-партнеры были бы идеальной копией друг друга, но только подчинялись бы противоположной статистике. Физики с нетерпением ждут начала охоты на такие суперсимметричные пары при помощи Большого адронного коллайдера около Женевы, но ускоритель еще не начал свою работу. Суперсимметрия остается теорией[31].
Отец пожал плечами:
– Есть веские теоретические основания в нее верить.
Это правда. Одно из них заключалось в том, что в суперсимметричном вакууме все фундаментальные взаимодействия могут быть объединены. Мы видим мир холодным, энергии частиц в нем низки, и сильное взаимодействие в 100 раз сильнее электромагнитного, а слабое – в 100 миллиардов раз слабее. Но при нагревании вакуума относительные силы взаимодействий начинают изменяться. Вакуум ослабляет хватку кварков – сильное взаимодействие ослабевает. В то же время электромагнитные и слабые силы крепнут. Продолжая нагрев, можно приблизить все три силы к одному и тому же значению. При температуре около 1016 миллиардов электрон-вольт электромагнитные и слабые силы сливаются в единое электрослабое взаимодействие, но сильное взаимодействие все еще остается немного более сильным. Но в рамках суперсимметичных моделей ситуация меняется, силы объединяются в одной точке, и все три взаимодействия оказываются проявлениями единой фиктивной суперсилы.
