Суперсила

Девис Пол

Сфера – в высшей степени симметричная фигура, причем 7-сфера обладает многими дополнительными симметриями, не свойственными обычной сфере. Именно с их помощью удается смоделировать основополагающие калибровочные симметрии силовых полей. Однако физикам понадобилось много времени, чтобы обнаружить эти поля, в частности по той причине, что симметрии иногда оказываются скрытыми, или нарушенными (в том смысле, как это описано в гл. 8). В теории Калуцы – Клейна такое нарушение симметрии достигается небольшой деформацией семимерной структуры, ее отклонением от идеальной сферичности. Слегка сплюснутая 7-сфера считается сейчас наиболее вероятной конфигурацией дополнительных компактифицированных измерений пространства.

Воскрешенная теория Калуцы – Клейна вдохновила теоретиков на переформулировку законов физики с учетом одиннадцати измерений. При этом возникла необходимость объяснить, почему единое пространство-время допускает расщепление размерностей на семь и четыре. Насколько

неизбежно, чтобы семь из одиннадцати измерений свернулись, став невидимыми, а остальные четыре оказались доступными непосредственному восприятию, или возможны и другие разбиения, например на восемь и три?

В поисках причин спонтанной компактификации семи измерений теоретики исходили из того, что физические системы всегда стремятся к состоянию с наименьшей энергией. В гл. 8 мы уже приводили пример действия этого принципа: шарик на поверхности “сомбреро” в конечном итоге переходит в устойчивое состояние с наименьшей энергией, скатываясь на “поля” сомбреро. Это наводит на мысль, что слегка сплюснутая 7-сфера в некотором смысле воплощает в себе конфигурацию пространства-времени с наименьшей энергией.

Вместе с тем можно допустить, что 7-сфера – лишь одна из многих возможных конфигураций. Заманчиво предположить, что где-то в космосе, за пределами наблюдаемой Вселенной пространство имеет другое число измерений. Возможно, переместившись на тысячи миллионов световых лет, мы оказались бы в мире с пятью пространственными измерениями вместо трех. Тогда мы смогли бы ответить на вопрос: «Почему три?». Одиннадцатимерное пространство-время могло бы быть разбито на области (домены) с различной наблюдаемой размерностью. Поскольку свойства силовых полей зависят от геометрических симметрия компактифицированных измерений, характер взаимодействий должен был бы изменяться при переходе от одной области к другой. Эти изменения порождали бы ряд проблем, обсуждавшихся ранее, в частности связанных с устойчивостью, волновым движением и т. п. В результате физические условия в областях пространства-времени, где нет обычного расщепления на семь и четыре, резко отличались бы от условий, существующих в наблюдаемой нами Вселенной. Сомнительно, чтобы в подобных областях могла цвести жизнь или вообще могло что-либо существовать. Живые организмы имеют чрезвычайно тонкую организацию и их существование, по-видимому, критически зависит от единственно гармоничного сочетания взаимодействий, которое характерно для нашей Вселенной. Отсюда следует, что мы самим своим существованием выбрали область пространства-времени с тремя пространственными измерениями, доступными непосредственному восприятию. Мы просто не смогли бы жить в области с иным числом измерений.

Почему одиннадцать?

Использование так называемого антропного принципа для объяснения трехмерности непосредственно воспринимаемого нами пространства порождает новые интересные вопросы. Должно ли полное число измерений пространства-времени неизбежно равняться одиннадцати или оно также может меняться от места к месту? Не может ли существовать мир, в котором из полного числа измерений, равного двадцати одному, семнадцать свернулись в компактную структуру? Такой мир будет обладать значительно более сложной системой силовых полей, чем те четыре взаимодействия, которые мы наблюдаем в окружающем нас мире. Кто знает, какие замысловатые структуры, какие утонченные формы жизни могли бы возникнуть в такой вселенной?

На протяжении всей истории человечества люди увлекались цифрологией, исповедовали культ чисел. Древние греки наделяли определенные числа мистическим смыслом. До наших дней число четыре – число сторон квадрата – хранит следы того, что в древности связывалось с честностью и справедливостью, – как в выражении a square deal (честная сделка). (Square в английском языке означает, с одной стороны, «квадрат, прямоугольник », а с другой – «честный», «прямой», а также «ровный», «точный».)

Многие люди до сих пор верят в «счастливые» и «несчастливые» числа, такие, как три, семь, тринадцать. В Библии неоднократно упоминаются числа семь и сорок; число 666 люди связывают с дьяволом и т. п.

Когда мы встречаемся с теми или иными числами, возникает искушение поискать скрывающийся за ними смысл. Иногда эти числа кажутся чисто случайными, как, например, число планет в Солнечной системе. За другими, возможно, скрывается какой-то более глубинный смысл. Так, оказалось, что число адронов определяется числом возможных комбинаций кварков. А что такое размерность пространства-времени: столь же случайное число, как количество планет и тому подобное? Или это указание на существование фундаментальных фактов, отражающих на языке логики и математики структуру физического мира?

Имеется любопытное свидетельство того, что число одиннадцать действительно имеет глубокий математический смысл. Оно происходит из области физики, называемой супергравитацией, которая, по крайней мере на первый взгляд, совершенно не связана с теорией Калуцы-Клейна.

В

предыдущей главе рассматривался наиболее многообещающий вариант супергравитации, называемый N=8. Это таинственное обозначение требует расшифровки. Операция суперсимметрии связывает частицы с разными спинами в единое супер­семейство, содержащее 163 частицы. Может возникнуть вопрос, почему их только 163. Если операция суперсимметрии превращает частицы с одним значением спина в частицы с другим спином, то что мешает, продолжая этот процесс до бесконечности, получить таким образом бесконечное количество частиц с произвольно большими значениями спина? Но чтобы операция суперсимметрии действительно представляла собой один из видов симметрии, она должна содержать лишь «замкнутую» последовательность операций. Подобная операция создает только конечное семейство частиц. Кроме того, поскольку в силу веских математических причин не могут существовать частицы со спином больше 2, суперсемейство из 163 частиц оказывается максимально возможным. N=8 обозначает число шагов, посредством которых операция суперсимметрии связывает частицы с различными спинами (в пределах возможного диапазона значений). Так как спин может быть направлен «вверх» либо «вниз», его проекция может изменяться от значения +2 (частица со спином 2, направленным «вверх») до значения —2 (частица со спином 2, направленным «вниз»), причем это изменение происходит с шагом 1/2. Очевидно, что в интервале от —2 до +2 восемь таких шагов; это означает, что для создания всего суперсемейства частиц со всевозможными значениями проекций спина, необходимо восемь операций суперсимметрии. Оказывается, что это число связано и с количеством различных типов гравитино, которое в этой теории также равно восьми. Понятие спина связано со свойствами вращения частиц в обычном трехмерном пространстве. Математики одно время тешились построением описания спина в пространствах с другим числом измерений – чтобы посмотреть, как это будет выглядеть. Оказывается, однако, что если основываться на супергравитации, то теория значительно упрощается, когда число измерений превышает три. В частности, для простейшей из всех формулировок требуется как раз одиннадцать измерений: в этом случае восемь различных операций суперсимметрии, соответствующих супергравитации « N = 8», вырождаются в единственную операцию, и возникает супергравитация « N =1».

Представим себе восторг математика, который, не имея представления о размерности реальной Вселенной и исходя лишь из соображений элегантности и единства описания, открыл бы супер­гравитацию. Он будет вынужден сформулировать теорию пространства-времени в одиннадцати измерениях и сделать вывод, что если бы природа имела представление о самой себе, то она, конечно, «выбрала» бы число одиннадцать в качестве размерности реального мира. Является ли это обстоятельство простой случайностью или оно указывает на глубокую связь супергравитации с теорией Калуцы­Клейна? Многие физики надеются, что такая связь действительно существует, и два направления объединения в физике – супергравитация и теория Великого объединения – приведут к созданию единого описания. Саламу принадлежит высказывание:

Если эта теория справедлива, то мы, возможно, очень близки к окончательному и полному объединению всех взаимодействии и обладающего спином вещества, в котором (объединении) фундаментальные заряды служат проявлением скрытых размерностей пространства.

Геометризация природы

Мы убедились, насколько близка к реализации мечта Эйнштейна о построении единой теории поля на основе геометрии. В современном варианте теории Калуцы-Клейна все силы природы, подобно гравитации, рассматриваются как проявление структуры пространства-времени. То, что мы обычно называем гравитацией, обусловлено кривизной четырехмерного пространства-времени, тогда как остальные силы обусловлены кривизной пространства более высокой размерности. Все силы природы выступают просто как проявление скрытой геометрии. Еще в 1870 г. математик У. К. Клиффорд, обращаясь с мемуаром «О пространственной теории материи» в престижное Кембриджское философское общество, писал:

Небольшие участки пространства напоминают холмы на ровной в среднем поверхности... Подобные деформации (или искривления) непрерывным образом, точно волна, переходят из одной области пространства в другую... Изменение кривизны пространства и есть то явление, о котором мы говорим как о движении материи. Вообще в физическом мире не происходит ничего, кроме такого изменения.

Эти мысли звучат удивительно пророчески, если вспомнить об общей теории относительности, примерно полвека спустя созданной Эйнштейном. Однако Клиффорд, по-видимому, пошел дальше общей теории относительности, предположив, что не только силы, но и частицы вещества в сущности представляют собой всего лишь «кочки» и «ухабы» пустого пространства.