Специальная премия "Прорыв" вручена за теорию супергравитации

Теория супергравитации сочетает квантовый подход и описание геометрии пространства времени.

Иллюстрация NASA.

Физики давно стремятся совместить общую теорию относительности с квантовой теорией поля.

Иллюстрация CC0 Public Domain.

Стали известны имена учёных, которым присуждена специальная премия "Прорыв" (Breakthrough Prize) по фундаментальной физике за 2019 год. Награды удостоились Серджо Феррара (Sergio Ferrara) из ЦЕРН, Дэниел Фридман (Daniel Freedman) из Массачусетского технологического института и Стэнфордского университета и Петер ван Ньивенхёйзен (Peter van Nieuwenhuizen) из Университета Стоуни-Брук. Официальная формулировка гласит: "за разработку [теории] супергравитации, в которой квантовые переменные являются частью описания геометрии пространства-времени". Учёные разделят между собой три миллиона долларов США (более 195 миллионов рублей по текущему курсу).

Чтобы объяснить, о чём идёт речь, придётся начать издалека. Напомним, что все силы в природе – это проявление четырёх фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами: сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного.

Огромным достижением науки XX века стала Стандартная модель физики элементарных частиц на основе квантовой теории поля, описавшая первые три взаимодействия. В этой модели все элементарные частицы рассматриваются как кванты соответствующих полей. Не только фотон считается квантом электромагнитного поля, но и электрон – квантом электронного поля, кварк – кваркового поля, и так далее. Другой крупный успех – общая теория относительности (ОТО), объяснившая гравитацию как искривление пространства-времени.

Обе теории прекрасно проверены экспериментами и наблюдениями, но всё же имеют проблемы. Так, массы некоторых частиц, согласно расчётам по Стандартной модели, получаются на много порядков больше, чем в действительности. А общая теория относительности не может объяснить, что происходит в самом центре чёрной дыры. По её уравнениям, там кривизна пространства-времени обращается в бесконечность, и математика оказывается бессильной.

Неприятно и то, что эти две теории невозможно согласовать друг с другом. Например, при попытке применить квантовый подход к ОТО некоторые события получают бесконечные вероятности, что немыслимо: вероятность не может быть больше единицы.

Правда, эффекты ОТО заметны лишь для очень тяжёлых тел, таких как небесные тела, а квантовые явления – для очень маленьких, таких как атомы. Поэтому необходимости применить к одному объекту обе теории сразу не возникает почти никогда. Исключением являются микроскопические чёрные дыры и Вселенная в самые малые доли секунды после Большого взрыва.

И всё же физиков беспокоит, что две самые глубокие, всеобъемлющие и проверенные теории в истории науки не согласуются друг с другом. Это говорит о том, что они не учитывают чего-то важного. На это же указывают и собственные проблемы Стандартной модели и ОТО, о которых упоминалось выше.

Физики давно стремятся совместить общую теорию относительности с квантовой теорией поля.

Попыткой ответить на трудные вопросы Стандартной модели стала теория суперсимметрии, предложенная в 1973 году Юлиусом Вессом (Julius Wess) и Бруно Цумино (Bruno Zumino). Поясним, в чём её суть.

Как известно, все элементарные частицы делятся на два крупных класса – фермионы и бозоны. В теории суперсимметрии предполагается, что у каждой частицы есть так называемый суперпартнёр: у электрона – "суперэлектрон", у фотона – "суперфотон" и так далее. Суперпартнёром фермиона всегда является бозон, а бозона – фермион. Свойства частицы и её суперпартнёра связаны между собой некоторым математическим законом.

Эта теория привлекательна по нескольким причинам. Во-первых, она объясняет, почему некоторые частицы имеют "неправильную" массу. Во-вторых, с ней здание теоретической физики становится более завершённым и красивым (а для теоретиков это важный критерий).

Суперпартнёр пока не обнаружен экспериментально ни для одной известной частицы, то есть теория не подтверждена. Более того, результаты экспериментов противоречат этой теории (во всяком случае, некоторым её вариантам). Однако это не обескураживает физиков, ведь свойства суперпартнёров вполне могут делать их трудноуловимыми для существующих детекторов и ускорителей. К слову, это обстоятельство делает "суперчастицы" прекрасными кандидатами на роль тёмной материи.

Феррара, Фридман и ван Ньивенхёйзен в 1976 году дополнили теорию супесимметрии, включив в неё гравитацию. В дополнение к гравитону, гипотетической частице, переносящей гравитационное взаимодействие, они ввели её суперпартнёра – гравитино. Гравитон является бозоном, а гравитино, как и положено при суперсимметрии, – фермионом.

Модель супергравитации стала одной из самых успешных попыток согласовать ОТО с квантовой теорией поля. Математический аппарат, используемый учёными, включает переменные, описывающие искривление пространства-времени.

Человечество пока не имеет технической возможности экспериментально проверить концепцию супергравитации. Но несомненно одно: она оказала глубокое воздействие на теоретическую мысль.

Так, было показано, что некоторые теоремы, которые чрезвычайно трудно доказываются с помощью математики ОТО, в теории супергравитации оказываются сравнительно простой задачей. Кроме того, супергравитация стала неотъемлемой частью знаменитой теории струн. Идеи лауреатов сыграли важную роль в работе других физиков по квантовым чёрным дырам, "голографическим" теориям гравитации и так далее.

"Когда мы думаем о великих произведениях человеческого воображения, мы часто имеем в виду искусство, музыку и литературу, – говорит российский миллиардер Юрий Мильнер, один из основателей и спонсоров премии "Прорыв". – Но некоторые из самых глубоких и красивых творений принадлежат учёным. [Теория] супергравитации вдохновляла физиков на протяжении десятилетий и может содержать глубокие истины о природе реальности".

Премия будет вручена лауреатам 3 ноября 2019 года.

Напомним, что специальная премия – это дополнение к основной премии "Прорыв" по фундаментальной физике, присуждаемой ежегодно. Специальная премия может быть присуждена в любое время и за достижения любой давности.

Специальная премия 2019 года стала пятой в истории награды. Ранее её удостоились знаменитый физик Стивен Хокинг, семь учёных ЦЕРН, чья работа привела к открытию бозона Хиггса, коллаборация LIGO, обнаружившая гравитационные волны, и Джоселин Белл (Jocelyn Bell) за открытие пульсаров.

Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о лауреатах основной премии за 2019 и 2018 годы.