Сила симметрии

Симметрия не просто вопрос эстетики. Это мощный способ избавиться от несовершенства и аномалий в уравнениях. Если вращать снежинку, то можно сразу же заметить любые дефекты, сравнив «повернутый» вариант с первоначальным. Если они не одинаковы, значит, существует проблема, которую необходимо скорректировать.

Точно так же при построении квантового уравнения мы часто обнаруживаем, что теория поражена крохотными аномалиями и расхождениями. Но, если в уравнении есть симметрия, эти дефекты устраняются. Точно так же суперсимметрия заботится о бесконечностях и несовершенствах, часто обнаруживаемых в квантовой теории.

В качестве бонуса оказывается, что суперсимметрия — это крупнейшая симметрия, которую когда-либо обнаруживали в физике. Суперсимметрия может взять все известные субатомные частицы и смешать их или распределить заново, сохранив при этом первоначальное уравнение. Мало того, суперсимметрия настолько мощная штука, что она может взять теорию Эйнштейна, включая гравитон и субатомные частицы Стандартной модели, и повернуть их или поменять местами. Это дает нам приятный и естественный способ объединить теорию гравитации Эйнштейна и субатомные частицы.

Теория струн подобна гигантской космической снежинке, каждый конец которой представляет полный набор Эйнштейновых уравнений и Стандартную модель элементарных частиц. Так что каждый конец снежинки представляет все частицы Вселенной. Когда мы вращаем снежинку, все частицы Вселенной меняются местами друг с другом. Некоторые физики отмечают, что, даже если бы Эйнштейна не было и никто не тратил бы миллиарды долларов на бомбардировку атомов для создания Стандартной модели, всю физику XX в. можно было бы вывести из теории струн.

Важнее всего, что суперсимметрия взаимно нейтрализует квантовые поправки частиц и счастиц, оставляя нам конечную теорию гравитации. Это настоящее чудо теории струн. Это также дает ответ на вопрос, который чаще всего возникает в связи с теорией струн: почему Вселенная существует в 10 измерениях? Почему не в 13 или 20?

Дело в том, что число частиц в теории струн может варьировать в зависимости от размерности пространства-времени. При большем числе измерений частиц тоже больше, поскольку возникает больше способов, которыми они могут колебаться. Пытаясь компенсировать квантовые поправки от частиц при помощи квантовых поправок для счастиц, мы обнаруживаем, что такая компенсация возможна только в 10 измерениях.

Обычно математики создают новые хитроумные структуры, которые физики позже включают в свои теории. К примеру, теория искривленных поверхностей была разработана математиками в XIX в., а в 1915 г. включена Эйнштейном в теорию гравитации. На этот раз, однако, произошло обратное. Теория струн открыла путь к такому количеству новых областей математики, что математики были поражены. Молодым амбициозным математикам, которые обычно с презрением относятся к прикладным аспектам своей дисциплины, приходится осваивать теорию струн, если они хотят работать на переднем крае своей науки.

Хотя теория Эйнштейна допускает существование кротовых нор и путешествий быстрее света, при расчете стабильности этих кротовых нор в присутствии квантовых поправок уже не обойтись без теории струн.

Подведем краткий итог. Квантовые поправки бесконечны, и избавление от этих бесконечностей является одной из фундаментальных задач физики. Теория струн устраняет эти квантовые поправки, потому что в ней присутствуют два типа квантовых поправок, которые в точности компенсируют друг друга. Точным соответствием параметров частиц параметрам счастиц мы обязаны суперсимметрии.

Но, какой бы элегантной и мощной ни была теория струн, одних теоретических выкладок недостаточно — теория должна пройти окончательную экспериментальную проверку.