Объединяются ли (в реальности) все три квантовых взаимодействия в одно?

Справа показаны калибровочные бозоны — переносчики трёх фундаментальных квантовых взаимодействий нашей Вселенной. Электромагнитное взаимодействие переносит единственный фотон, слабое — три бозона, сильное — восемь. Это наводит на мысль, что Стандартная модель представляет собой комбинацию трёх групп: U(1), SU(2) и SU(3), чьи взаимодействия и частицы вместе составляют всё известное сущее. Несмотря на успешность этой картины, многие загадки по-прежнему остаются. Источник: Daniel Domingues/CERN

Идея великого объединения применительно к нашей Вселенной выглядит заманчиво и звучит захватывающе. Но природа не обязана нам подыгрывать.

Итан Сигел, 27 октября 2026

Ключевые тезисы:

• В нашей сегодняшней Вселенной есть три взаимодействия, о которых известно, что они по своей природе квантовые: электромагнитное, слабое ядерное и сильное ядерное.

• Известно, что эти взаимодействия не полностью независимы: электромагнитное и слабое ядерное связаны между собой. При высоких энергиях они объединяются, образуя электрослабое взаимодействие.

• Есть весомые намёки на то, что при ещё более высоких энергиях все три взаимодействия объединяются в «супервзаимодействие», в рамках концепции, известной как великое объединение. Но происходит ли такое объединение в нашей Вселенной на самом деле? Или это лишь теоретическая идея, которой так и суждено остаться в песочнице?

В нашей Вселенной существует ряд фундаментальных взаимодействий, которые, на первый взгляд, действуют независимо друг от друга. Есть гравитация — сила притяжения между всеми объектами, обладающими массой и/или энергией, она описывается общей теорией относительности Эйнштейна и кривизной пространства-времени. Есть электромагнетизм: любая частица, обладающая электрическим зарядом или создающая электрическое либо магнитное поле, испытывает воздействие других зарядов и электромагнитных полей вокруг. Есть слабое ядерное взаимодействие, которое позволяет частицам менять свой тип и распадаться — превращаться из более тяжёлых частиц в более лёгкие. И есть сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает вместе атомные ядра и связывает кварки (и антикварки) в адроны.

Мы не уверены, является ли гравитация по своей сути квантовым взаимодействием, но остальные три — электромагнитное, слабое ядерное и сильное ядерное описываются квантовыми теориями поля. Хотя на то, чтобы окончательно разобраться в этих трёх взаимодействиях, ушли десятилетия, теперь мы знаем, что по меньшей мере два из них связаны между собой: электромагнитное и слабое. Это не два полностью независимых взаимодействия, а два «нарушенных» проявления более фундаментального, единого взаимодействия, существующего в условиях высоких энергий, — электрослабого.

Вполне естественно задаться вопросом: не объединяется ли при ещё более высоких энергиях сильное ядерное взаимодействие с электрослабым? Это и есть ключевая идея великого объединения, или теорий великого объединения (ТВО), как их иногда называют. Мы не знаем ответа: объединяются ли взаимодействия в природе в конечном счёте, а если да, то при каких условиях, на каком энергетическом масштабе и в рамках какой теории. Но эта захватывающая идея продолжает вызывать теоретический интерес и стимулировать поиски экспериментальных подтверждений. И вот что именно мы ищем.

Идея объединения состоит в том, что все три взаимодействия Стандартной модели (а при более высоких энергиях, возможно, и гравитация) объединяются в рамках единой теории. Хотя эта идея и по сей день остаётся популярной и математически привлекательной, пока нет никаких прямых свидетельств её применимости к нашей реальности. Из всех возможных вариантов объединения установленным считается только электрослабое. Источник: ABCC Australia, 2015

Если вы когда-нибудь видели схему Стандартной модели элементарных частиц, вас легко можно простить за мысль, что:

• фотон управляет электромагнитным взаимодействием, которое действует исключительно на частицы с электрическим зарядом;

• W- и Z-бозоны управляют слабым ядерным взаимодействием, действующим исключительно на частицы, обладающие своего рода слабым зарядом;

• а глюоны управляют сильным ядерным взаимодействием, действующим исключительно на частицы с некоторым цветовым зарядом: кварки, антикварки и сами глюоны.

Мы часто рисуем эту упрощённую картину, и в основном она верна. Для большинства применений это достаточно хорошее приближение к истине, вполне годная модель, поэтому мы просто пользуемся ею и не беспокоимся о мелких оговорках, требующих чуть большей тонкости.

Но в фундаментальной физике именно в таких тонкостях нередко скрываются следующие важнейшие прорывы. У слабого взаимодействия есть не просто «некий слабый заряд», а более сложная структура. В Стандартной модели кварки участвуют во всех трёх взаимодействиях, заряженные лептоны — только в электромагнитном и слабом, а незаряженные лептоны (нейтрино) — только в слабом. Углублённое изучение этого привело учёных к удивительному открытию: электрослабому объединению, первому успешному объединению взаимодействий в нашем понимании физики со времён Максвелла, объединившего электричество и магнетизм.

На этой схеме частиц Стандартной модели фермионы показаны в верхнем ряду, калибровочные бозоны — в среднем, а бозон Хиггса — внизу. Линии обозначают связи (взаимодействия): по синим линиям видно, какие фермионы взаимодействуют с какими силами. Всё, что имеет массу, связано с полем Хиггса; единственные безмассовые частицы (которые поэтому с ним не связаны) — фотон и глюоны. Теоретический гравитон, здесь не показанный, взаимодействует со всем, что обладает энергией: со всеми частицами и античастицами. Если во Вселенной существуют новые частицы, их связи могут косвенно выдать своё присутствие в прецизионных измерениях, сравнивающих наблюдаемые свойства частиц с предсказаниями Стандартной модели. Источник: TriTertButoxy/Stannered, английская Википедия

Ключевая идея появилась в начале 1960-х годов. В физике сильных взаимодействий уже давно существовало понятие изоспина: симметрии «ароматов», связанной с тем, что мы теперь назвали бы «верхним» или «нижним» видом частицы. Например, протон, состоящий из двух верхних (u) и одного нижнего (d) кварка, имеет более «верхний» изоспин, чем его собрат нейтрон с одним верхним и двумя нижними кварками, у которого изоспин, наоборот, более «нижний».

Аналог этой идеи для слабых взаимодействий называется слабым изоспином: (левохиральные) частицы с положительным электрическим зарядом имеют положительный слабый изоспин (позитроны, верхние кварки, нижние антикварки и т. д.), а частицы с отрицательным электрическим зарядом — отрицательный слабый изоспин (электроны, верхние антикварки, нижние кварки и т. д.). Незаряженные нейтрино, поскольку все они левохиральные фермионы, имеют положительный слабый изоспин, а тоже незаряженные антинейтрино — отрицательный.

Слабый изоспин когда-то считали эквивалентом «слабого заряда», но чего-то не хватало. Изначально предполагалось, что слабые взаимодействия переносят только W-бозоны, а все частицы исключительно левохиральны. Однако это привело бы к сценарию, в котором частицы были бы безмассовыми, а симметрия, известная как CP (замена частиц зеркально отражёнными версиями их античастиц), была бы точной. Вместо этого появилась более сложная версия теории, в которой:

• помимо электрически заряженных W-бозонов существовал нейтральный Z-бозон;

• наблюдаемые нами заряженные фермионы (кварки и заряженные лептоны) представляли собой суперпозиции левохиральных и правохиральных частиц (что позволяло частицам иметь массу);

• и помимо «слабого заряда», или слабого изоспина, который сам по себе не сохраняется, существовало ещё одно квантовое число, связывающее электрический заряд со слабым изоспином, — слабый гиперзаряд (который тоже не сохраняется); сохраняется лишь определённая комбинация слабого изоспина и слабого гиперзаряда.

Схема слабого изоспина T₃, слабого гиперзаряда Y_W и цветового заряда всех известных элементарных частиц, повёрнутая на угол слабого смешивания так, чтобы электрический заряд Q располагался примерно по вертикали. Нейтральное поле Хиггса (серый квадрат) нарушает электрослабую симметрию и взаимодействует с другими частицами, наделяя их массой. Эта диаграмма показывает структуру частиц, но её основа — и математика, и физика. Источник: Cjean42/Wikimedia Commons

Поскольку между слабым изоспином, слабым гиперзарядом и электрическим зарядом существует тесная связь, как и между W-, Z-бозонами и фотоном, возникающая в рамках того же механизма, который порождает и бозон Хиггса, мы узнали, что электромагнитное и слабое взаимодействия — не две отдельные, не связанные между собой силы, а части единого, объединённого «электрослабого» взаимодействия. Когда видишь лежащую в основе Стандартной модели теорию групп, записанную как SU(3) ⊗ SU(2) ⊗ U(1), возникает соблазн считать компоненту SU(3) сильным взаимодействием, компоненту SU(2) — слабым, а компоненту U(1) — электромагнитным.

Но это вовсе не является правдой.

На самом деле часть компоненты SU(2) описывает электромагнитные взаимодействия, а часть компоненты U(1) — слабые. Эти две группы должны работать совместно, поэтому SU(2) ⊗ U(1) ведёт себя как электрослабое взаимодействие. Такова (в версии без математики) история электрослабого объединения.

Теперь у нас есть ещё одно фундаментально квантовое взаимодействие — сильное. В обычной Стандартной модели между компонентой SU(3) (сильное взаимодействие) и компонентой SU(2) ⊗ U(1) (электрослабое взаимодействие) вообще нет никакого смешивания. Но если рассмотреть некоторые факты, то найдётся немало вещей, которые мы сегодня не можем объяснить, но которые обрели бы смысл, если бы (на каком-то уровне, при какой-то энергии и в рамках какой-то более всеобъемлющей теории) объединение в «супервзаимодействие» действительно происходило.

Набор частиц гипотетической группы великого объединения SU(5), которая вмещает всю Стандартную модель плюс дополнительные частицы. В частности, здесь есть ряд (непременно сверхтяжёлых) бозонов, обозначенных на схеме буквой «X», которые совмещают в себе свойства и кварков, и лептонов и сделали бы протон принципиально нестабильным. Их отсутствие и наблюдаемая стабильность протона — весомый аргумент против научной состоятельности этой теории. Источник: Cjean42/Wikimedia Commons

Начнём с того, что если мы изучим математику теории групп, то узнаем, что групп существует несколько типов, среди которых:

• унитарные группы,

• специальные унитарные группы,

• ортогональные группы,

• специальные ортогональные группы,

• симплектические группы,

• исключительные группы.

(Стандартная модель, состоящая из SU(3) ⊗ SU(2) ⊗ U(1), построена из двух специальных унитарных групп и одной унитарной.)

Оказывается, если перейти к более крупной группе самых разных типов — SU(5) и выше для специальных унитарных, SO(10) и выше для специальных ортогональных, или к большинству исключительных групп, то обнаружится, что внутри этих групп не только целиком помещается Стандартная модель, более того, у них есть целый набор интересных свойств, которых у самой Стандартной модели нет. Во-первых, они предсказывают существование новых тяжёлых частиц на новом масштабе — масштабе великого объединения (масштабе ТВО), и эти частицы делают возможным целый ряд явлений, которых мы никогда не наблюдали.

Два возможных канала распада протона показаны через превращения его фундаментальных составляющих. Эти процессы никогда не наблюдались, но теоретически разрешены во многих расширениях Стандартной модели, например в теориях великого объединения на основе SU(5). Источник: J. Lopez, Reports on Progress in Physics, 1996

1) Распад протона. Если идея великого объединения верна, то протон — не стабильная частица, каковой он является в Стандартной модели. За достаточно долгое время из-за новых взаимодействий, нарушающих сохранение барионного числа, которые привносит великое объединение, протон в конце концов распадается. Поскольку при распаде должен сохраняться электрический заряд, а продукты должны быть легче самого протона, два основных канала таковы:

• нейтральный мезон, например пион или каон, вместе с положительно заряженным лёгким лептоном, например позитроном или антимюоном;

• либо положительно заряженный мезон, например пион или каон, вместе с антинейтрино,

ведь если в этом контексте нарушается барионное число, то на такую же величину должно нарушаться и лептонное число.

Именно этот аспект теорий великого объединения привёл к созданию Kamiokande — установки, которая после модернизации до Super-Kamiokande («Супер-Камиоканде») стала крупнейшим в мире нейтринным детектором резервуарного типа, а сейчас модернизируется до Hyper-Kamiokande. Расположенный в японской шахте Камиока, изначально установка не была «экспериментом с нейтринным детектором» (neutrino detector experiment — именно это сочетание сегодня означает «nde» в названии Kamiokande), а экспериментом по поиску распада нуклонов: резервуар строился для поиска распада протона. Разумеется, в 1987 году близкая сверхновая дала нейтринный сигнал в исходном детекторе Kamiokande, и выросшая из этого нейтринная астрономия была отмечена несколькими Нобелевскими премиями по физике, включая премию этого года. (К сожалению, Нобелевская по физике 2026 года за нейтринный детектор обошла и японских, и российский учёных... - прим.переводчика) Простейшая модель великого объединения, SU(5), предсказывает время жизни протона порядка 10³⁰ лет, тогда как нынешний экспериментальный предел устанавливает, что оно не меньше 10³⁴ лет. Если удастся поднять этот предел ещё на три порядка, мы потенциально сможем исключить и объединение на основе SO(10).

Если позволить X- и Y-частицам — высокоэнергетичным бозонам, существование которых предсказывается в рамках теорий великого объединения, распадаться на показанные на схеме комбинации кварков и лептонов, то их античастицы будут распадаться на соответствующие комбинации античастиц. Если CP-симметрия нарушена (а ожидается, что так и есть), то каналы распада, то есть доли частиц, распадающихся тем или иным способом, могут различаться для X- и Y-частиц по сравнению с анти-X и анти-Y, что приведёт к итоговому избытку барионов над антибарионами и лептонов над антилептонами. Источник: E. Siegel/Beyond the Galaxy

2) Рабочий механизм возникновения асимметрии между материей и антиматерией. Ни для кого не секрет, что материи во Вселенной больше, чем антиматерии. Но чего мы пока не знаем — так это того, как получилась Вселенная с избытком материи? Обычно мы предполагаем, что нечто произошло на ранней стадии, в очень молодой Вселенной после Большого взрыва, и из изначально симметричного состояния возникло больше материи, чем антиматерии. Мы также знаем, что средствами лишь одной физики Стандартной модели наблюдаемую асимметрию получить невозможно: на каком-то уровне обязательно должна вмешиваться новая физика.

Великое объединение именно для этого даёт работоспособную схему. Предсказывая существование новых сверхтяжёлых бозонов, которые взаимодействуют и с кварками, и с лептонами, в рамках теории, допускающей нарушение упомянутой CP-симметрии, мы в ранней Вселенной можем:

• родить большое количество этих двух новых бозонов, X и Y, вместе с их античастицами;

• позволить этим X и Y (и анти-X и анти-Y) распадаться на смесь кварков и лептонов;

• так, чтобы кварки рождались чаще антикварков, а лептоны — чаще антилептонов;

• получить в итоге Вселенную с достаточно большой асимметрией между материей и антиматерией, согласующейся с наблюдениями, включая наблюдаемое барион-фотонное отношение (отношение числа барионов к числу фотонов).

Если идея великого объединения верна, она может стать решением одной из крупнейших нерешённых проблем всей современной теоретической физики.

Описать Вселенную можно самыми разными уравнениями, например, уравнениями Максвелла. Записать их можно по-разному, но сделать вывод об их справедливости можно, лишь сравнивая их предсказания с физическими наблюдениями. Именно поэтому вариант уравнений Максвелла с магнитными монополями (справа) не соответствует реальности, а вариант без них (слева) — соответствует. Однако в теориях великого объединения магнитные заряды (монополи) необходимы: это значит, что выше масштаба великого объединения реальности соответствовал бы уже вариант уравнений с монополями. Источник: Ed Murdock

3) В более крупных схемах великого объединения, таких как SO(10), Вселенная становится полностью лево-правосимметричной. Мы знаем, что в Стандартной модели физики частиц Вселенная фундаментально несимметрична по ряду важных признаков:

• Существуют электрические заряды, но не существует магнитных зарядов (монополей).

• Существуют хиральные фермионы: «левые» компоненты участвуют во взаимодействиях иначе (например, только с W-бозоном и никогда с Z-бозоном), чем «правые» компоненты (которые взаимодействуют только с Z и никогда с W).

• Более того, «правых» нейтрино (и «левых» антинейтрино) вообще не существует.

В большинстве теорий великого объединения все эти различия исчезают. Великое объединение, как правило, предсказывает существование магнитных монополей, что сделало бы уравнения Максвелла симметричными между электричеством и магнетизмом. Это могло бы объяснить, почему электрический заряд во Вселенной квантован.

Если ввести правые нейтрино (а великое объединение их вводит), можно получить простой механизм, объясняющий очень малые, но ненулевые значения масс нейтрино во Вселенной.

Также в лево-правосимметричной Вселенной чётность (зеркальная симметрия) явно сохраняется: это значит, что наша Вселенная с нарушением чётности возникала бы как следствие спонтанного нарушения симметрии, и это нарушение исчезало бы выше масштаба объединения.

Если великое объединение справедливо для нашей Вселенной, всё было бы по-настоящему интересно — и во множестве отношений! И хотя доказательств у нас нет, есть один любопытный, очень-очень косвенный довод, который, возможно, указывает в эту сторону.

На этом рисунке показан механизм «качелей» (see-saw), который мог бы объяснить, почему массы нейтрино так малы (но не равны нулю). Если начать с равных масс левых и правых частиц (зелёные точки), но на одну сторону «качелей» ложится большая, тяжёлая масса, то возникают сверхтяжёлая частица, которая может служить кандидатом в тёмную материю (играя роль правого нейтрино), и очень лёгкое обычное нейтрино (играющее роль левого нейтрино). Этот механизм заставил бы левые нейтрино вести себя как майорановские частицы. Источник: E. Siegel / общественное достояние

В физике каждому взаимодействию соответствует своя константа связи — постоянная, характеризующая силу этого взаимодействия. Сегодня электромагнитная константа связи мала: около 1/137. Слабая константа связи тоже мала, но не настолько: скорее около 1/30. Сильная константа связи значительно больше: примерно 1/9.

Однако все эти константы связи меняются с энергией:

• При повышении энергии электромагнитная константа связи растёт.

• При повышении энергии слабая константа связи эволюционирует так, что приближается к электромагнитной.

• И при росте энергии сильная константа связи слабеет, уменьшаясь и сближаясь с обеими другими константами.

Если подняться до очень высоких энергий (сравнимых с теоретическим масштабом великого объединения), то все эти константы связи почти сходятся в одной точке. Они не пересекаются, но расхождение совсем невелико. Напомню: между нынешними энергетическими масштабами (примерно на уровне миллиэлектронвольта) и масштабом великого объединения, около 10¹⁵ гигаэлектронвольт, лежит пропасть в 27 порядков величины.

Поведение трёх фундаментальных констант связи (электромагнитной, слабой и сильной) в зависимости от уровня энергии: в Стандартной модели (слева) и с добавлением нового набора суперсимметричных частиц (справа). То, что три линии почти сходятся, намекает: они могли бы сойтись, если за пределами Стандартной модели найдутся новые частицы или взаимодействия, — но само по себе расхождение этих констант полностью укладывается в ожидания одной лишь Стандартной модели. То, что в суперсимметричных (SUSY) сценариях константы связи могут сойтись в одной точке, ещё может ничего не значить для реальности. Источник: W.-M. Yao et al. (Particle Data Group), J. Phys. (2006)

Даже без введения каких-либо дополнительных новых частиц, взаимодействий или связей тот факт, что константы расходятся менее чем на три порядка (как видно на логарифмическом графике выше), представляет собой примечательную проблему тонкой настройки — загадку с точки зрения естественности. Поведение этих констант, даже если они сходятся идеально, не доказывает существования великого объединения. Однако, если константы связи действительно встречаются, то было бы поистине странным совпадением, если бы они все пересеклись в одной точке и просто продолжали двигаться, каждый своим путём, как вверх, так и вниз по энергии; математически это исключительно редкое событие при случайном выборе параметров трёх кривых.

И всё же протон остаётся стабильным, свидетельств существования магнитных монополей нет, а все попытки зарегистрировать безнейтринный двойной бета-распад (который был бы следствием майорановской природы нейтрино, предсказываемой великим объединением) приносили лишь нулевые результаты. Несмотря на всю привлекательность идеи великого объединения, пока у нас в наличии лишь ряд ограничений на этот сценарий. Это не значит, что объединение не может играть роли на каком-либо уровне или не может описывать нашу Вселенную. Но пока не появится более весомый намёк, выходящий за рамки чисто косвенных доводов, мы должны твёрдо держать эту идею в разряде умозрительных. Какой бы захватывающей она ни была, у нас просто нет свидетельств, на которые можно было бы указать и сказать: в нашей Вселенной есть какое-то объединение сверх того, что предсказывает электрослабая теория.