«Спин» в переводе с английского — объект, вращающийся вокруг собственной оси. Это частный случай того, что физики называют моментом импульса и описывают как процесс вращения физических объектов.

Квантовый и классический спин

Существует два типа момента импульса. Первый представляет собой вращение одного объекта вокруг другого, напоминающее движение Земли вокруг Солнца. Этот процесс называется орбитальным моментом вращения по аналогии с орбитальным движением планет. Но Земля вращается не только вокруг Солнца, но и вокруг собственной оси. И такое движение мы имеем в виду, когда говорим о классических спинах.

Рекомендуем по этой теме:
4955
Спин на волокне

Для элементарных частиц — квантовых объектов — нам нужно ввести понятие квантовых спинов. Представим себе элементарные частицы в качестве детских игрушек — волчков. Огромное количество маленьких квантовых волчков, которые вращаются вокруг своей оси. Движение всех элементарных частиц характеризуется двумя квантовыми числами: массой и спином, важной характеристикой элементарных частиц.

Бозон Хиггса

Известно, что все объекты, составляющие материю вокруг нас, состоят из лептонов и кварков. Оба типа этих частиц входят в Стандартную модель и обладают спином ½. Один из способов описания значения заключается в том, что частице нужно сделать не один оборот вокруг своей оси, а два, чтобы выглядеть одинаково.



Есть также очень важные элементарные частицы, которые называются калибровочные бозоны. Их спин равен единице, а сами они являются переносчиками фундаментальных взаимодействий. Например, существуют глюоны — наиболее знакомые нам фотоны, которые переносят информацию об электромагнитном взаимодействии и свете. Есть и более экзотические W- и Z-бозоны. Большая часть этих частиц нам известна начиная с 1970-х годов.

Но недавно была открыта новая частица. Бозон Хиггса — это единственная частица, у которой спин равен нулю. Значит, что, каким бы углом не была повернута частица, она всегда будет выглядеть одинаково. Калибровочные бозоны имеют спин, равный единице, то есть им нужно совершить один оборот вокруг себя, чтобы выглядеть как изначально. В этом смысле они похожи на стрелу: вам нужно повернуть ее на 360° один раз, чтобы она показывала начальное направление.

Проблема квантования гравитации

Ученые хотели бы зайти за пределы Стандартной модели, потому что в ней нет одного очень важного элемента — гравитации. Со времен Эйнштейна гравитация описывается общей теорией относительности. Но если вы попытаетесь описать ее так, как раньше описывались элементарные частицы, то придете к выводу, что она должна объясняться взаимодействием калибровочных бозонов, гравитонов. Но тогда калибровочный бозон должен иметь спин, равный двум, — это особенность гравитационных волн, описанных в квантовых терминах.

Таким образом, для квантования гравитации нам нужно описать частицы, которые не имеют массы. Но гравитация распространяется со скоростью света и не должна иметь массы, так как имеет спин, равный двум. Если описать гравитон так, как описываются частицы со спином, равным единице, все взорвется. Все уравнения дадут бесконечность, и придать этому смысл очень сложно. И это одна из самых главных теоретических проблем физики XXI века — попытаться квантовать гравитацию.

Супергравитация

В 1976 году была предложена теория супергравитации. Она состояла в дополнении гравитона экзотической частицей с полуцелым спином. Эта частица похожа на лептоны и кварки и называется гравитино — как нейтрино, который тоже обладает полуцелым спином и является особым подвидом лептонов. У гравитино спин равен 3/2, и это значит, что ему нужно совершить 2/3 оборота, чтобы выглядеть как изначально.

Рекомендуем по этой теме:
10805
Квантовая гравитация

Супергравитация работает и успешно решает некоторые проблемы, но, к сожалению, она по-прежнему неполная. Ее рассматривают как приближение к теории суперструн на низких энергиях. Но теория струн содержит частицы со спином даже большим, чем равным двум. Одна из теоретических возможностей преодоления проблемы квантования гравитации состоит в том, чтобы зайти дальше, чем спин, равный двум. И тогда вам нужны все спины вместе: два, три, четыре, пять, шесть, семь — без каких-либо ограничений на спин. Это очень странно, но хорошо работает на уровне уравнений.

За эту работу отвечает теория струн: она предсказывает существование частиц с высшими спинами, но в теории это частицы, обладающие массой. Гравитон, фотон ею не обладают, поэтому и распространяются со скоростью света. Таким образом, все частицы, предсказанные теорией струн, должны распространяться медленнее, чем со скоростью света. Но опыт исследования фундаментальных взаимодействий показывает, что для лучшего понимания теории элементарных частиц ученые должны ставить эксперименты на крайне высоких энергиях, потому что только в таком состоянии частицы выглядят так, как будто у них нет массы. Это было предложено в 1980-х годах.

Теория гравитации высших спинов

Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева в Москве были одними из лидеров в разработке основ теории гравитации высших спинов. Первопроходцем в создании теории высших спинов был Игорь Тамм, затем о гравитино написал его ученик Виталий Гинзбург. Ефим Фрадкин, ученик Гинзбурга, был одним из первых, кто попытался построить теорию взаимодействия безмассовых частиц со спином большим, чем два.

Есть две важные задачи, которые нужно решить в контексте разработки теории гравитации высших спинов. Одна из задач — прояснение глубинной геометрической структуры гравитации. Есть некоторое понимание этой структуры, но глобальной картины по-прежнему не хватает. Величайший успех общей теории относительности Эйнштейна заключался в том, что она предоставляла нам геометрический взгляд на гравитацию и очень конкретные, физические наблюдения. Например, тот факт, что все объекты независимо от массы падают одинаково и с одинаковым ускорением. Что-то вроде этого должно существовать и для гравитации высших спинов. Предполагается, что это один из ключей, которых ученым не хватает, чтобы открыть дверь к более глубокому пониманию гравитации.

Второе, что по-прежнему нужно понять, — это переход от безмассовых частиц к реальному миру, где у частиц есть масса. Ученые пока их не наблюдают, и если эти частицы существуют, то они должны быть очень массивными и находиться за пределами экспериментов, которые сегодня ученые могут ставить. Это называется спонтанным нарушением симметрии. Этого же элемента не хватает в гравитации высших спинов.

Рекомендуем по этой теме:
6626
Суперсимметрия и супергравитация

Это перевод лекции Ксавье Бекерта, a почитать и послушать оригинал можно на Serious Science.