Шон Майкл Кэрролл

«Частица на краю Вселенной». Глава из книги

Глава 8. Разбитое зеркало

Мы тщательно исследуем бозон Хиггса и поле, из которого он образуется, а также выясняем, как он нарушает симметрию и определяет вид Вселенной.

Я сижу за столом в пустом зале для семинаров Калифорнийского технологического института, а напротив меня, по другую сторону стола, сидит местный тележурналист Хэл Эйснер. Между нами — огромная миска попкорна. Эйснер берет кукурузное зернышко, машет им перед моим носом и спрашивает (а на самом деле умоляет объяснить), что же это такое — бозон Хиггса. «Если бы не было бозона Хиггса, это зернышко взорвалось бы? Ведь правда, оно ведь взорвалось бы?»

Тот разговор наш случился 10 сентября 2008 года — в день, когда первые протоны пролетели по кольцу БАКа. Для предыдущего поколения ускорителей запуск был обычным делом, за которым внимательно следила лишь небольшая группа заинтересованных физиков, остальное человечество это событие не интересовало. Но с БАКом все обстояло иначе — внимание всего мира было сосредоточено на нескольких протонах, набиравшихся сил, чтобы в первый раз пролететь весь 27-километровый путь по кольцу.

Именно поэтому в Калтех и другие университеты, расположенные в разных городах и странах, пришли журналисты: они хотели первыми написать о сенсационном событии. В Женеве было раннее утро, а у нас — поздняя ночь предыдущего дня, поскольку время в Калифорнии отстает на девять часов от европейского. Компьютеры были включены, и все могли следить за событиями, хотя сильно возросшая нагрузка на серверы ЦЕРНа вскоре обрушила их. Вскоре заказали пиццу, что существенно помогло собравшимся ученым комфортно перенести ожидание. (Довольно много атомов в организме типичного физика хоть один раз да побывали атомами пиццы.)

И все же слушатели местных новостей резонно задавались вопросом: «Подумаешь, большое дело! Мы знаем, что все это важно, но вот почему?» И всегда одним из первых ответов был такой: «Потому что мы хотим найти бозон Хиггса». Хорошо, ну а почему этот бозон так важен? Что-то связано с массой и нарушением симметрий. Давайте сосредоточимся на главном вопросе: взорвется ли кукурузное зерно?

Правильный ответ «да», взорвется, если бозон Хиггса (или точнее, поле Хиггса, в котором бозон распространяется в виде волны) внезапно исчезнет. Тогда частички обычного вещества больше не смогут удерживаться вместе, и такие предметы, как кукурузные зернышки, сразу взорвутся. Но было бы неправильно думать о бозоне Хиггса как о своего рода силе, которая связывает атомы друг с другом. Поле Хиггса — поле, которое пронизывает все пространство, оно придает массу таким частицам, как электроны, позволяя им образовать атомы, которые, в свою очередь, связываются в молекулы. Без поля Хиггса не было бы атомов, а была бы просто куча частиц, одиноко летающих во Вселенной.

Огромной проблемой нынешней науки является трудность перевода глубоких понятий современной физики на язык повседневной жизни. Вы хотите сказать (несомненно) совершенно правильные вещи, но вы хотите еще, чтобы у людей создалось правильное впечатление, а это не одно и то же. Бессмысленно говорить правильные вещи, если никто не поймет ни слова из того, что вы говорите. Более того, может случиться, что слушатели на основании ваших объяснений даже начнут неправильно представлять себе те или иные явления природы.

К счастью для нас, в истории с бозоном Хиггса все не так уж сложно. Поле Хиггса как воздух для нас или вода для рыб — мы его обычно не замечаем, но оно везде вокруг, без него жизнь была бы невозможна. И это «везде вокруг» имеет буквальный смысл: в отличие от всех других физических полей поле Хиггса отлично от нуля даже в пустом пространстве. Перемещаясь в нем, мы буквально погружены в фоновое поле Хиггса, и именно влияние этого поля на наши частицы придает им их уникальные свойства.

Бозон Хиггса не похож на другие частицы. Когда Теватрон в лаборатории Ферми обнаружил истинный кварк в 1995 году, это было потрясающей победой, результатом напряженной многолетней работы. Но к тому времени мы уже были знакомы с кварками и не ожидали открыть для себя что-то совершенно новое. Бозон Хиггса — совсем другое дело, мы еще не встречались с частицами, похожими на него. Его поле заполняет пространство, нарушает симметрии, наделяет массами и индивидуальными чертами другие частицы Стандартной модели. Если бы истинные и прелестные кварки не существовали, наша жизнь существенно не изменилась бы. Но если бы не существовал бозон Хиггса, Вселенная была бы совершенно иной.

Аналогия, получившая премию

В 1993 году проект БАКа существовал в виде чертежного наброска. Тогда никто не был уверен, что он доберется до стадии реального воплощения. Группа физиков из ЦЕРНа презентовала масштабный проект Уильяму Уолдгрейву, бывшему тогда министром науки Великобритании. Уолдгрейв заинтересовался идеей, но не смог понять главную цель проекта — идею бозона Хиггса. Как вспоминал физик Дэвид Миллер из Университетского колледжа в Лондоне, «он не понял ни слова в том, что было сказано».

Но Уолдгрейв не сдался и предложил ученым найти способ внятно объяснить ему роль бозона Хиггса, причем так, чтобы это объяснение уместилось на одном листе бумаги. Тому, кто придумает лучшее объяснение, он пообещал бутылку марочного шампанского. Миллеру и четырем его коллегам удалось найти отличную метафору, удовлетворившую министра науки. Все пятеро получили по бутылке шампанского, а Великобритания поддержала строительство БАКа.

Я изложу слегка модифицированную версию метафоры Миллера. Представьте себе, что мы с Анжелиной Джоли идем через пустую комнату. (В оригинальной версии по понятным политическим причинам фигурировала не кинозвезда Джоли, а Маргарет Тэтчер, но это не важно — важно, чтобы был кто-то известный.) Давайте проведем мысленный эксперимент и предположим, что скорости, с которыми мы с Джоли обычно ходим, одинаковы. В этом случае мы пересечем пустую комнату за одинаковое время. Существует определенная симметрия: не имеет значения, кто проходит по комнате — Анжелина или я, — время будет одинаково.

Теперь представьте, что в комнате вечеринка, и полно гостей. Может быть, я и иду по забитой людьми комнате немного медленнее, чем по пустой, — я ведь должен иногда притормозить и поменять направление, чтобы протиснуться сквозь толпу гостей, но я прохожу почти незамеченным. А вот если по той же комнате идет красавица Анжелина, это уже совсем другая история: люди останавливают ее, просят дать автограф, сфотографироваться с ними или просто заводят светскую беседу. Можно сказать, что ее «масса» становится больше — для продвижения по комнате от нее требуется больше усилий, чем от меня. (Говоря об увеличении массы, я не хочу сказать, что Анжелина Джоли растолстела, это просто метафора.) Та симметрия, которая была между нами, в присутствии множества людей в комнате нарушается.

Физик бы сказал, что Анжелина Джоли «взаимодействует сильнее» с гостями вечеринки, чем я. Это более сильное взаимодействие отражает ее славу: никто не собирается останавливать меня и просить автограф, а вот известной актрисе взаимодействовать с толпой приходится чаще.

Теперь замените меня на верхний кварк, Анжелину — на истинный кварк, а гостей вечеринки — на поле Хиггса. Если нет заполняющего пространство поля Хиггса, существует идеальная симметрия между верхним и истинным кварками, и они ведут себя так же, как я и Анжелина, когда мы идем по пустой комнате с одинаковой скоростью. Но истинный кварк взаимодействует с полем Хиггса сильнее, чем верхний кварк, поэтому, если поле Хиггса «включено», истинный кварк приобретает большую массу, и ему требуется больше усилий, чтобы двигаться через поле, так же как Анжелине нужно приложить больше усилий, чтобы протиснуться через толпу гостей, чем мне.

Как и любая аналогия, и эта не совершенна. Поле Хиггса заполняет собой пространство, влияя на все, что движется через него. Но в отличие от движения сквозь толпу или еще что-то такое же знакомое, я не могу измерить свою скорость относительно этого фонового поля Хиггса — она оказывается всегда одинаковой, как бы я ни двигался. Чтобы создать частицу, движущуюся в поле Хиггса, требуется затратить больше усилий, но как только она начнет двигаться, она продолжит движение по законам, открытым Галилеем, Ньютоном и Эйнштейном. Поле Хиггса не заставляет частицу замедлиться и двигаться с его собственной скоростью, поскольку оно не имеет скорости. На самом деле никакой аналогии в повседневной жизни для этого нет, но, по-видимому, таково устройство мира.

До появления Эйнштейна и его теории относительности многие физики считали, что электромагнитные волны — колебания среды под названием «эфир». Они даже попробовали обнаружить эфир, попытавшись измерить изменения в скорости света в зависимости от его движения относительно движения эфира. Казалось бы, если свет распространяется в том же направлении, что и эфир, он должен двигаться быстрее, а если навстречу эфиру — медленнее. Но ученые никаких различий не обнаружили. Понадобился гений Эйнштейна, чтобы понять: в концепции эфира нет необходимости, и скорость света в пустом пространстве постоянна. Эфир для поддержания электромагнитного поля не нужен — оно может просто существовать само по себе.

Появляется искушение считать, что поле Хиггса — это тот же эфир, невидимое поле, в котором распространяются волны. Правда, это другие волны — бозоны Хиггса, а не электромагнитные волны. Действительно, в чем-то эти понятия схожи, так как поле Хиггса тоже заполняет пространство, а бозоны Хиггса являются колебаниями этого поля. Но этому искушению не следует поддаваться. Весь смысл эфира состоял в том, что имело значение, с какой скоростью вы движетесь относительно него — он определял состояние покоя для пустого пространства. А с полем Хиггса все наоборот — скорость вообще не имеет никакого значения. Теория относительности остается незыблемой.

Перевернутый маятник

Как мы узнали в предыдущей главе, Вселенная состоит из полей. Но большинство этих полей в пустом пространстве выключены — их значения равны нулю. Частица — это небольшое колебание в поле, сгусток энергии, возникающий тогда, когда поле отклонилось от своего естественного значения. С полем Хиггса все не так — оно имеет ненулевое значение даже в пустом пространстве. Это определенное фиксированное значение оно принимает абсолютно везде, а соответствующая ему частица, бозон Хиггса — колебание поля относительно этого значения, а не относительно нуля. Что же делает поле Хиггса таким непохожим на остальные поля?

Все это связано с энергией. Представьте себе мяч, покоящийся на вершине холма. У него есть свойство, которое физики называют «потенциальной энергией» и которое означает, что, даже ничего не делая, просто спокойно оставаясь там, он обладает способностью освободится от этой энергии, если мы позволим ему скатиться вниз по склону. Если это произойдет, он наберет скорость, постепенно превращая свою потенциальную энергию в энергию движения. Но, катясь вниз, он по дороге может столкнуться с другими предметами, ему придется преодолеть сопротивление воздуха, он будет производить шум, и все это приводит к рассеиванию энергии. К тому времени, когда мяч достигнет подножия холма, вся его начальная энергия превратится в звук и тепло, и он не разгонится, а наоборот — остановится.

Поля ведут себя похожим образом. Если столкнуть их с их любимого состояния покоя, это придаст им потенциальную энергию. Если их отпустить, они начнут колебаться и в конечном итоге могут рассеять свою энергию, передав ее другим полям. В конечном итоге они вернутся обратно в состояние покоя. Особенность поля Хиггса в том, что его состояние покоя находится совсем не на нуле — самое низкое энергетическое состояние находится при величине поля 246 ГэВ. Это значение мы определяем из эксперимента, так как оно определяет величину слабого взаимодействия.

Энергия 246 ГэВ — не масса бозона Хиггса (его масса равна примерно 125 ГэВ, и она оставалась неизвестной до тех пор, пока на БАКе его не нашли), это значение поля в пустом пространстве. Как уже говорилось, в физике элементарных частиц принято измерять все в одних и тех же единицах ГэВ, что может иногда привести к путанице. Масса бозона Хиггса (как и масса любого другого объекта) показывает, сколько энергии мы должны затратить на то, чтобы он стал двигаться, если мы толкнем его. Иначе говоря, это та энергия, которую мы должны влить в колебание поля, чтобы это колебание проявилось в виде дискретной частицы. Величина поля — это совсем другая характеристика, она показывает, что поле делает, когда находится в полном покое.

Чтобы разобраться, почему поле Хиггса флуктуирует не вблизи нуля, а вблизи значения 246 ГэВ, полезно представить себе маятник, подвешенный к потолку. Он ведет себя как обычное поле — в состоянии с самой низкой энергией находится в вертикальном положении, его конец направлен вниз. Мы можем придать ему дополнительную энергию, вытолкнув его из этой позиции, и если мы не будем его удерживать, он начнет свободно колебаться туда-сюда и в конце концов остановится, поскольку потратит свою энергию на преодоление сопротивления воздуха и трение.

А теперь представим себе перевернутый маятник, конец которого прикреплен к полу, а не к потолку. Это похожее устройство, но теперь оно ведет себя совершенно иначе. Перевернутый маятник, наоборот, имеет наибольшую энергию, когда располагается вертикально, тогда как раньше в этой конфигурации у него была наименьшая энергия. У такого маятника есть две позиции с наименьшей энергией: одна, в которой маятник лежит на полу слева от точки крепления, и одна — на полу справа. Если маятник предоставить самому себе, он опустится на пол и займет либо одну, либо другую позицию.

Поле Хиггса похоже на перевернутый маятник: для того, чтобы ему принять нулевое значение, нужно приложить энергию. Его состояние с самой низкой энергией — такое, при котором поле везде равно некоторому фиксированному значению, так же как маятник находится в самом низком энергетическом состоянии, когда его конец направлен влево или вправо от точки крепления. Вот почему пустое пространство заполнено полем Хиггса, при движении через которое другие частицы набирают массу — просто это конфигурация с наименьшей энергией. Поля можно сравнить со смещением маятников от вертикали — обычное поле (и обычный маятник) стремится к нулевому значению, в то время как поле Хиггса стремится к ненулевому значению с наименьшей энергией, подобно тому как перевернутый маятник стремится улечься на левый или на правый бок.

Обычное поле можно сравнить с маятником, подвешенным к потолку. Минимальная энергия у маятника тогда, когда он находится в состоянии покоя, и его конец направлен прямо вниз. Мы можем вывести его из такого состояния, но это потребует энергии. Поле Хиггса похоже на перевернутый маятник с точкой крепления не на потолке, а на полу. Теперь состояние с минимальной энергией — то, в котором маятник лежит на полу — справа или слева относительно точки крепления, а чтобы привести его в вертикальное положение, нужно затратить энергию.

Конечно, мы можем задаться вопросом, почему этот «маятник Хиггса» перевернутый, а не обычный. На самом деле ответа никто не знает. Есть некоторые предположения, которые основываются на физических теориях, выходящих далеко за рамки Стандартной модели, но при современном состоянии знаний нам не остается ничего другого, как считать это просто данностью. Поле Хиггса в пустом пространстве могло принять ненулевое значение, а могло и не принять, обе возможности ничему не противоречат, но оказалось, что в нашем мире оно решило стать не нулевым. И это хорошо, потому что в противном случае наш мир выглядел бы намного менее интересным (и не только для физиков элементарных частиц).

Наделение частиц массой

Важно не то, что поле Хиггса заполняет пустое пространство; мы даже не заметили бы его отсутствия, если бы оно не взаимодействовало с другими частицами. И самое главное следствие этого взаимодействия — «наделение массой» элементарных частиц Стандартной модели. Эта концепция достаточно тонкая, так что стоит потратить на нее некоторое время. (Более подробно о том, как это все устроено, см. в Приложении 1.)

В первую очередь мы должны определить, что такое «масса» объекта. Наверное, лучший способ — сказать, что масса характеризует то, «насколько сильное сопротивление мы чувствуем, толкая этот объект», или, другими словами: масса — это то, «сколько энергии нужно затратить, чтобы разогнать объект до определенной скорости». Автомобиль имеет намного большую массу, чем велосипед, и это нам понятно, потому что приходится затратить гораздо больше усилий на то, чтобы сдвинуть с места автомобиль, чем велосипед. Есть и другое определение массы как «количества энергии, которое объект имеет в состоянии покоя». Оно следует из уравнения Эйнштейна E = mc2. Обычно мы читаем это уравнение наоборот, то есть оно дает нам возможность узнать, сколько энергии спрятано в объекте с определенной массой, но мы можем считать это и определением массы неподвижного объекта.

Важно подчеркнуть, что масса вообще не имеет прямого отношения к гравитации. Мы привыкли связывать эти два понятия, потому что самый простой способ измерить массу чего-то — взвесить, положив на весы, поскольку, как мы все знаем, именно гравитация тянет вниз чашу весов. Вовне, в пустом пространстве, где гравитации почти не чувствуется, все предметы становятся невесомыми, но они тем не менее имеют массу. Труднее сдвинуть с места массивный космический корабль, чем крошечный камешек, и еще труднее столкнуть с места Луну и планеты. Гравитация (или вес) — это нечто иное, что влияет не только на массивные объекты, но даже и на те, которые не имеют массы. Гравитация, как уже экспериментально установлено, влияет даже на свет, состоящий из безмассовых фотонов, что и было наглядно продемонстрировано с помощью явления гравитационных линз (искривления лучей галактиками и скоплениями темной материи).

Если вы взгляните на таблицы Зоопарка частиц в Приложении 2, в которые занесены все частицы Стандартной модели, вы увидите, что некоторые частицы имеют массу, а некоторые нет. Все бозоны — переносчики взаимодействий — глюоны, гравитоны и фотоны — имеют нулевую массу, а вот масса W- и Z-бозонов не равна нулю, равно как не равна нулю и масса самого бозона Хиггса. Как видно из таблицы для фермионов, нейтрино имеет массу, про которую пока только известно, что она «маленькая», зато кварки и заряженные лептоны обладают совершенно разными массами.

Это многообразие видов в нашем Зоопарке частиц напрямую связано с влиянием поля Хиггса. Правило простое: если частица не взаимодействуете напрямую с полем Хиггса, она получает нулевую массу, а если взаимодействует с полем Хиггса непосредственно — получает ненулевую массу, прямо пропорциональную силе этого взаимодействия. Такие частицы как электрон, верхний и нижний кварки взаимодействуют с бозоном Хиггса относительно слабо, поэтому их массы малы; тау-лептон, истинный и прелестный кварки сильно взаимодействуют с ним, и, следовательно, их массы относительно большие. (Нейтрино представляют собой особый случай, они имеют крошечные массы, но мы еще недостаточно хорошо понимаем, как они получили их. В этой книге мы будем мало говорить о нейтрино, сосредоточившись на той группе частиц Стандартной модели, про которые мы что-то понимаем.)

Если бы поле Хиггса было похоже на другие поля и принимало бы в пустом пространстве нулевое значение, сила его взаимодействия с частицами просто определялась бы вероятностью, с которой бозон Хиггса мог бы провзаимодействовать с этими частицами, пролетай они мимо него. Бозон Хиггса и электрон не очень заметили бы друг друга при встрече, а вот бозон Хиггса и истинный кварк рассеялись бы друг на друге довольно сильно. (Подобно тому как я могу пройти по улице незамеченным, а Анжелину Джоли поклонники будут останавливать на каждом шагу). Но так как среднее значение поля Хиггса не равно нулю, остальные частицы взаимодействуют с ним постоянно — и именно это постоянное и неизбежное взаимодействие частиц с фоновым полем придает им массу. Когда частица сильно взаимодействует с полем Хиггса, это похоже на то, как если бы всюду, куда она ни направлялась, за ней тащилась бы толпа фанатов-бозонов Хиггса, увеличивая многократно ее массу.

Формула для массы частицы довольно проста: это значение хиггсовского поля в пустом пространстве, умноженное на величину взаимодействия данной частицей с полем Хиггса. Почему некоторые частицы, например истинный кварк, сильно взаимодействуют с полем Хиггса, а другие, вроде электрона, относительно слабо? И как объяснить конкретные величины? Никто не знает. В данный момент на эти вопросы ответов нет. На сегодняшнем уровне понимания мы считаем эти взаимодействия константами природы, которые нужно просто пойти и измерить. Мы надеемся получить некоторые подсказки, изучая сам бозон Хиггса, и это является еще одной причиной того, почему проект БАК столь важен.

Мир без поля Хиггса

Несмотря на все эти оговорки, формула «поле Хиггса ответственно за массу», как физики иногда говорят, будет не совсем точной и даже в каком-то смысле неправильной. Вспомним, что мы не видим кварки напрямую — они заперты вместе с глюонами внутри адронов, например протонов и нейтронов. Масса протона или нейтрона намного больше, чем массы входящих в них отдельных кварков. И понятно почему — их масса в основном определяется энергией виртуальных частиц, удерживающих кварки вместе. Если бы поля Хиггса не было, кварки по-прежнему связывались бы вместе и образовывали бы адроны, и их масса при этом практически не изменилась бы. Это означает, что большая часть массы обычных предметов, скажем стола или человека, определяется совсем не полем Хиггса. Подавляющая часть массы таких предметов определяется массой их протонов и нейтронов, в свою очередь определяемой сильными взаимодействиями, а не полем Хиггса.

Однако это не означает, что поле Хиггса не имеет отношения к повседневной жизни. Представьте, что мы получили доступ к секретному контрольному пульту управления всеми законами физики и медленно поворачиваем ручку с надписью «ПОЛЕ ХИГГСА». Допустим, мы смогли уменьшить значение хиггсовского поля в пустом пространстве от 246 ГэВ до любого меньшего числа. (Заметим, таких секретных пультов у природы не существует.) Когда значение фонового поля Хиггса вокруг нас уменьшилось, уменьшились и массы кварков, заряженных лептонов и W- и Z-бозонов. Изменение в массах кварков и W- и Z-бозонов привело бы к крошечным изменениям в свойствах протонов и нейтронов, но ничего драматичного сразу бы не произошло. Изменение в массах мюона и тау-частицы вообще почти не повлияло бы на повседневную жизнь. Но любое изменение массы электрона повлекло бы за собой самые серьезные последствия.

В нашей привычной воображаемой схеме строения атома электроны вращаются вокруг ядра так же, как планеты вокруг Солнца или Луна — вокруг Земли. Но в нашем случае все это наглядное представление рассыпается, и мы должны уже учитывать квантовую механику всерьез. В отличие от планеты, вращающейся вокруг Солнца, типичный электрон не вращается по орбите на некотором случайном расстоянии, он на самом деле старается приблизиться к ядру по возможности поближе. (Если он все же находится дальше, он, как правило, будет стараться потерять энергию, испустив фотон, чтобы оказаться на более близкой орбите.) А то, насколько он приблизится к ядру, зависит от его массы. Тяжелые частицы могут втиснуться в малый объем пространства, в то время как более легким частицам всегда требуется больше места. Другими словами, размер атомов определяется фундаментальным природным параметром — массой электрона. Если его масса уменьшится, атомы станут намного больше.

И это очень важно. Увеличение размеров атомов не означало бы, что просто увеличился бы размер обычных объектов. Атомы разых веществ держатся вместе за счет химии, а она определяет способы, которыми они в различных комбинациях соединяются друг с другом, и держатся они вместе потому, что при этом обобществляются электроны (по крайней мере, при определенных условиях). И эти условия полностью изменятся, если размеры атомов будут другими. Если масса электрона изменится лишь немного, такие вещи, как «молекулы» и «химические реакции», еще сохранятся, но знакомые определенные правила, существовавшие в реальном мире, изменятся радикальным образом. Простые молекулы вроде воды (H2O) или метана (CH4) останутся почти прежними, но вот сложные молекулы, такие как молекула ДНК или белки, а соответственно и живые клетки, придут в состояние, не подлежащее ремонту. Короче говоря, даже небольшое изменение массы электрона приведет к тому, что вся жизнь на Земле мгновенно закончится.

А изменение массы электрона на большую величину приведет, соответственно, к более драматическим последствиям. Так как мы ручкой на пульте постепенно устремляем поле Хиггса к нулю, электроны становятся все легче и легче, а атомы — соответственно — больше и больше. В конце концов они достигли бы макроскопического, а затем и астрономического размера. После того как каждый атом стал бы таким же большим, как Солнечная система или галактика Млечный Путь, разговор о «молекуле» потерял бы всякий смысл. Вселенная стала бы просто набором отдельных суперогромных атомов, сталкивающихся друг с другом в космосе. Если масса электрона уменьшилась бы до нуля, то атомов вообще бы не стало — электроны не смогли бы удерживаться ядрами. И если бы это произошло внезапно, на наводящий вопрос журналиста Эйснера можно было бы ответить так: «Да, если резко выключить поле Хиггса, зернышко попкорна взорвется».

Есть и еще некоторое более тонкое свойство. Подумаем о трех заряженных лептонах: электроне, мюоне и тау-частице. Единственное различие между ними — величина масс. Если мы выключаем поле Хиггса, эти массы устремятся к нулю, и частицы станут одинаковыми. (Техническое отступление: поле сильных взаимодействий также может иметь ненулевое среднее значение, маскируя действие поля Хиггса, но это значение намного ниже, и мы здесь этот эффект не рассматриваем.) То же самое справедливо и для трех кварков с зарядом +2/3 (верхнего, очарованного и истинного) и для трех кварков с зарядом −1/3 (нижнего, странного, и прелестного). Если бы не было фонового поля Хиггса, в каждой группе частицы были бы идентичны. Это указывает на, пожалуй, самую важную, основную, роль хиггсовского поля: оно выбирает симметричную конфигурацию и разрушает ее симметрию.

Что такое симметрия

Когда мы произносим слово «симметрия», первое, что приходит на ум, это приятная для глаз регулярность. Исследования показали, что симметричные лица, то есть те, что выглядят одинаково слева и справа, как правило, кажутся нам более привлекательными. Но физики (и конечно, математики, у которых они учатся таким вещам) хотят докопаться до сути и понять, что именно делает что-то «симметричным» в самом общем смысле и как эти симметрии появляются в природе.

Простое определение симметрии как «соответствия левой и правой сторон» отражает более широкое определение: мы говорим, что объект обладает симметрией, если мы можем что-то сделать с ним, и после этой операции он не изменится. Если лицо симметрично, легко представить себе, что, отразив одну половинку лица относительно средней линии и приставив отраженную половинку к первой, получаем то же лицо. Но более простые объекты могут иметь и другие виды симметрии.

Возьмем простую геометрическую фигуру, например квадрат. Мы можем обе его половинки отражать относительно вертикальной оси, проведенной точно посередине, приставлять новые половинки к старым и получать в точности первоначальные фигуры — это одна симметрия. Мы можем то же самое проделать при отражении относительно горизонтальной оси, что свидетельствует еще об одной симметрии. (Этой симметрии нет у лица — даже самый красивый человек будет выглядеть странно, если поменять местами верхнюю и нижнюю половины его лица.) А еще мы можем отразить половину квадрата относительно диагонали, а также повернуть квадрат по часовой стрелке вокруг его центра на 90° или любой кратный угол. И при всех этих операциях получится прежний квадрат.

Круг, как и квадрат, выглядит очень симметричным, а на самом деле он еще более симметричный. Мы можем не только отразить его относительно любой оси, проходящей через центр, но и повернуть на любой заданный угол, и он всегда останется прежним кругом. Тут у нас гораздо больше свободы, чем было с квадратом. Произвольная кривая — загогулина — напротив, не имеет никакой симметрии вообще. При любой операции, которую мы с ней проделываем, ее вид меняется.

Круг, квадрат и загогулина. Круг имеет множество элементов симметрии, включая поворот на любой угол и отражение относительно любой оси. Симметрия квадрата ниже: он переходит сам в себя при поворотах на 90°, отражении относительно вертикальной и горизонтальной осей или комбинации этих операций. Загогулина вообще не имеет симметрии.

Симметрия — это способ сказать: «Мы можем изменить объект определенным образом, и ничего с ним существенного не произойдет». Повернем ли мы квадрат на 90° или отразим его относительно центральной оси, он превратится в тот же самый квадрат.

С этой точки зрения идея симметрии не выглядит чем-то полезным. Какое имеет значение, если мы повернули круг, кого это волнует? А волнует нас это по той причине, что симметрии достаточно высокого порядка накладывают очень сильные ограничения на то, что может случиться. Предположим, кто-то говорит вам: «Я нарисовал на листе бумаги фигуру с такой высокой симметрией, что вы можете повернуть рисунок на любой угол, и фигура будет выглядеть так же». И вы понимаете, что эта фигура должна быть кругом (или точкой, которая является вырожденным кругом с нулевым радиусом). Это единственная фигура с такой высокой симметрией. Аналогичным образом, когда речь идет о физике, мы часто можем понять, какой результат должен дать эксперимент, зная, какой должна быть основополагающая симметрия исследуемого процесса.

Классическим случаем проявления симметрии в физике является такой простой факт: не имеет значения, где мы проводим определенный эксперимент. Если он отражает основополагающие принципы, мы получим всегда один и тот же результат. Например, есть знаменитый эксперимент, в котором ученые (как правило, молодые, любящие выкладывать ролики на YouTube) кидают ментоловые пастилки в бутылку с диетической колой. Пористая структура ментоловых пастилок Mentos служит катализатором реакции высвобождения углекислого газа из соды, содержащейся в коле, что приводит к феерическому зрелищу — из бутылки начинает бить фонтан пены. Эффекта не будет, если взять любые другие ментоловые конфеты или другие содосодержащие напитки, но когда все ингредиенты выбраны правильно, эксперимент проходит с равным успехом и в Лос-Анджелесе, и в Буэнос-Айресе, и в Гонконге. Здесь нет симметрии природы по различным видам конфет или напитков, но есть симметрия по положению в пространстве. Физики называют это «трансляционной инвариантностью», — вот ведь никак не могут устоять перед соблазном дать сложное и отпугивающее название простой идее.

Когда рассматриваются частицы или поля, их симметрия говорит о том, что различные виды частиц способны меняться друг с другом или даже «превращаться друг в друга при поворотах». (Кавычки используются для того, чтобы показать, что мы здесь поворачиваем и превращаем друг в друга поля, а не направления в настоящем трехмерном пространстве, в котором мы живем.) Наиболее характерный пример — три вида цветных кварков, условно поименованные красными, зелеными и синими. Какой ярлык на каком кварке — совершенно не имеет значения: если перед вами три кварка, не важно, какой из них вы называете «красным», какой — «синим», а какой — «зеленым». Вы можете перевесить эти ярлычки, и все важные физические проявления останутся прежними — это симметрия в действии. Но если у вас имеется один кварк и один электрон, вам уже нельзя поменять их ярлычки. Кварк очень отличается от электрона — он имеет другую массу, другой заряд и ощущает сильное взаимодействие. Между ними нет симметрии.

Если бы не было поля Хиггса, наделяющего элементарные частицы массами, электроны, мюоны и тау-частицы были бы симметричными, поскольку эти частицы стали бы тогда идентичны во всех отношениях, так же, как симметричны мы с Анжелиной при пересечении пустой комнаты с одинаковой скоростью. При некотором взаимодействии мюон превратился бы в электрон, и все осталось бы в точности таким же. Мы могли бы даже (в соответствии с правилами квантовой механики) создать частицу, которая была бы наполовину электроном, а наполовину — мюоном, и опять бы ничего не изменилось. Или даже сделать некоторую комбинацию из трех частиц — некий аналог поворота круга на любой угол. Такая же симметрия есть у верхних, очарованных и истинных кварков, а также у тройки нижний-странный-прелестный кварки. Этим явлениям дано название — симметрия «ароматов», и даже несмотря на то, что поле Хиггса не позволяет наблюдать эту симметрию в природе в чистом виде, данное свойство широко используется физиками в теории элементарных частиц при анализе различных базовых процессов.

Но есть и другая симметрия, более глубокая и тонкая, чем симметрия ароматов. На первый взгляд полностью скрытая, она, как выяснилась, имеет абсолютно решающее значение. Это та симметрия, что лежит в основе слабых взаимодействий.

Поля связи и силы

Реальная важность симметрий, то есть причина, по которой физики не могут перестать говорить и думать о них, состоит в том, что симметрии достаточно высокого порядка порождают силы природы. Это одно из самых удивительных прозрений физики ХХ века, и оно достаточно трудно для понимания. Стоит поглубже покопаться в этом, чтобы хоть немного понять, как симметрии и силы связаны между собой.

Подобно довольно тривиальной, бытовой симметрии, которая говорит, что «не имеет значения, где вы делаете свой эксперимент», есть еще одна, из которой следует, что «ничего не изменится, если вы повернете свой эксперимент». Поставьте бутылку с легкой колой, опустите в нее ментоловые пастилки и наблюдайте за извержением пены, а затем поверните все это на 90° (скажем, этикетка бутылки смотрела на север, а теперь будет смотреть на восток) и проделайте опыт снова. Вы увидите, что результат будет тем же (в пределах экспериментальной ошибки). Эта симметрия, по понятным соображениям, называется «инвариантностью относительно вращений».

На самом деле можно пойти еще дальше. Скажем, я делаю свой эксперимент на парковке возле моего офиса, а моя подруга совершенно независимо от меня делает такой же эксперимент в нескольких метрах от меня. Мы оба можем свои бутылки развернуть на какой-то угол и, естественно, получится тот же результат. Но больше того, я могу повернуть свою бутылку, а она может оставить свою в прежнем состояний, или мы оба можем повернуть свои бутылки на разные углы. Другими словами, симметрия сохраняется не только при повороте на один угол всего сразу (не имеет значения, мы смотрим на север или в каком-либо другом направлении), но и при разных поворотах в каждой точке (результаты не зависят от того, как любой из нас в отдельности ориентирован).

Вообще-то существует намного больше симметрий. Профессиональное название для этого вида мегасимметрии — «калибровочная инвариантность». Название было дано немецким математиком Германом Вейлем, который сравнил выбор того, как измерять объекты в разных точках, с выбором калибра (ширины колеи) железнодорожных путей. Их также называют «локальными» симметриями, так как преобразование симметрии делается независимо в каждой точке. «Глобальная» симметрия, напротив, основана на преобразовании, которое должно быть выполнено одинаковым образом одновременно во всех точках.

Поскольку в каждой точке мы ориентируем свое оборудование по-разному, важно суметь как-то сравнивать выбранные нами ориентации. Представьте себе геодезистов, размечающих местность для фундамента под новый дом. Допустим, они начинают с одного угла и фиксируют направление, в котором будет ориентирован дом. Но поскольку дом должен иметь форму прямоугольника, они хотят, чтобы ориентация остальных углов была привязана к ориентации первого угла — иначе выкладывать кирпичи на четырех углах нельзя. В реальном мире это обычно сделать не трудно — мы просто проводим между вершинами углов прямые линии с помощью натянутой веревки или теодолита.

Представьте себе теперь, что земля, на которой мы строим дом, не совсем ровная, с ухабами, но из эстетических соображений клиент хочет, чтобы мы не срезали ухабы с помощью бульдозеров и не выравнивали площадку, а строили прямо на буграх. В этом случае наша задача усложняется, и когда мы будем выравнивать направления в углах дома, нам придется принимать во внимание неровности земли.

Но тут есть тонкий момент: для того чтобы теперь сопоставить наши представления об «одинаковых направлениях» в разных точках пространства, нужно, чтобы пространство между этими точками было заполнено полем, причем таким, которое буквально подсказало бы нам, как связать точки друг с другом; в технической литературе это называется «связью». В нашем архитектурном примере соответствующее поле — высота поверхности земли в каждой точке. Это поле — не то фундаментальное поле, из колебаний которого рождаются частицы, но оно — набор чисел, каждое из которых соответствует определенной точке на земле, и в этом смысле это настоящее поле. (Топографическая карта — это изображение «поля высот».) Информация об этом поле позволяет нам понять, что происходит в разных точках пространства.

Всякий раз, когда у нас есть симметрия, позволяющая совершать независимые преобразования в разных точках (калибровочная симметрия), автоматически появляется и связывающее (калибровочное) поле, которое позволяет сравнить то, что происходит в разных местах. Иногда поле не несет никакой информации и даже может быть незаметным, например поле высот поверхности на идеально ровной площадке. Но когда связывающее поле изгибается и поворачивается при переходе от места к месту, это приводит к важным последствиям.

Происхождение сил природы: локальная симметрия порождает связывающее поле, которое порождает силы.

Если земля плоская, вы просто не сдвинетесь с места, а если высота изменяется от точки к точке, можно, например, c горы прокатиться на лыжах (или на скейтборде, в зависимости от условий). В соответствии с идеологией современной физики это и есть магическая формула, заставляющая мир шевелиться: симметрии приводят к появлению калибровочных полей, а изгибание и кручение калибровочных полей приводят к появлению сил природы.

Четыре силы природы — гравитация, электромагнетизм, сильные и слабые взаимодействия — все порождены симметриями. (Бозон Хиггса тоже является переносчиком взаимодействия, но наделяет частицы массой не он, а фоновое поле Хиггса. И оно не связано ни с какой симметрией.) Соответствующие бозонные поля, переносчиками взаимодействий которых являются гравитоны, фотоны, глюоны и W- и Z-бозоны, — калибровочные поля, которые соотносят друг с другом эти преобразования симметрии в разных точках пространства. А частицы часто называют «калибровочными бозонами», чтобы подчеркнуть их происхождение.

Калибровочные поля определяют крутизну невидимых «лыжных склонов» в каждой точке пространства, что приводит к возникновению сил, толкающих частицы в разных направлениях в зависимости от того, как они взаимодействуют. Есть гравитационный лыжный склон, который толкает все частицы в одном направлении, есть электромагнитный склон, который толкает положительно заряженные частицы в одну сторону, а отрицательно заряженные частицы — в противоположную, есть склон сильного взаимодействия, который ощущается только кварками и глюонами, и склон слабого взаимодействия, кривизну которого чувствуют все фермионы Стандартной модели, и, кроме того, есть сам бозон Хиггса.

Что касается гравитонов, то о симметриях, отвечающих за гравитационное взаимодействие, мы уже говорили: это — трансляционная симметрия (при изменении положения) и вращательная симметрия (при изменении ориентации) — но не в простом трехмерном пространстве, а в четырехмерном пространстве-времени. Для сильных взаимодействий симметрия соотносит друг с другом цвета — красный, зеленый, синий — различных кварков. Не имеет значения, как мы описываем определенный кварк: как красный, зеленый, синий или как любую их комбинацию, так что здесь налицо симметрия.

Вы могли бы заметить, что частицы с электрическим зарядом всегда обладают парой: если одна из них обладает положительным зарядом, то ее напарница — отрицательным. Это происходит из-за того, что для получения заряженной частицы вам нужно два поля, которые при калибровочной симметрии электромагнетизма могут превращаться друг в друга. Одиночное поле само по себе не может быть электрически заряженным, так как тогда симметрии не на что будет влиять.

Остаются W- и Z-бозоны слабых взаимодействий. Они также являются носителями калибровочных полей, появившихся вследствие определенной базовой симметрии природы. Но на самом деле эта симметрия замаскирована полем Хиггса, поэтому нам придется немного поработать, чтобы ее найти.

Проблема с симметриями

Симметрия, лежащая в основе слабых взаимодействий, была обнаружена косвенным способом. Еще в 1950-х годах, когда никто даже и не думал про кварки, физики заметили, что нейтроны и протоны в некоторых отношениях очень похожи. Нейтрон чуть-чуть тяжелее, но, если тщательно учесть все факторы, мы увидим, что его масса близка к массе протона. Конечно, протон имеет электрический заряд, а нейтрон — нет, но электромагнитное взаимодействие не так сильно, как сильное ядерное взаимодействие, и с точки зрения сильного взаимодействия обе частицы кажутся неразличимыми. Если бы мы интересовались конкретно сильными взаимодействиями, нам бы очень помогло представление о нейтроне и протоне как о двух разных версиях единой частицы — «нуклона». Конечно, это не совершенная симметрия, а в лучшем случае приближенная — заряды и массы действительно разные, но даже из такой симметрии можно выжать много полезных следствий.

В 1954 году Чжэньнин Янг и Роберт Миллс предположили, что эта симметрия должна быть «повышена в звании» до локальной симметрии, то есть что мы должны иметь возможность «превращать путем поворота1» нейтроны и протоны друг в друга в каждой точке пространства. Они понимали, что из этого вытекало существование калибровочного поля и соответствующей силы природы. Сразу в это не поверили: эта идея — что можно сделать калибровочную (локальную) симметрию из чего-то, что в начале было только приблизительной симметрией, — казалась сумасшедшей. Но так часто бывает: по мере того как мы больше понимаем об устройстве нашего мира, сумасшедшие идеи переводятся в разряд блестящих.

Однако осталась большая проблема. Поначалу лишь две теории, основанные на локальных симметриях, были вполне успешными: гравитация и электромагнетизм. Заметьте, что обе соответствующие силы — дальнодействующие и бозоны — переносчики этих сил — имеют нулевую массу. Ни один из этих фактов не является случайным. Оказалось, что локальная симметрия требует, чтобы соответствующие бозоны имели нулевую массу: когда у вас есть безмассовый бозон, сила, которую он переносит, ощущается на очень больших расстояниях. Воздействие массивного бозона иссякает быстро, поскольку энергия тратится на то, чтобы сделать его массивным, зато воздействие со стороны безмассовой частицы может распространяться бесконечно далеко.

У безмассовых частиц есть характерная черта — их легко создать. Особенно если мы говорим о поле, которое охотно взаимодействует с нейтронами и протонами, и пытаемся понять, что происходит внутри атомного ядра, где силы, несомненно, очень велики. В 1954 году казалось очевидным, что внутри ядра нет никаких других играющих важную роль безмассовых частиц. Но Янг и Миллс продолжили свои исследования.

Отстоять свою позицию им было нелегко. В феврале того же года Янг рассказывал о своей новой работе на семинаре в Институте перспективных исследований в Принстоне. В аудитории среди других светил присутствовал известный своей едкостью физик Вольфганг Паули. Паули прекрасно знал, что теория Янга‑Миллса предсказала новый безмассовый бозон, отчасти потому, что сам Паули анализировал очень похожую модель, но результаты так и не опубликовал. И не он один — другие физики, в том числе Вернер Гейзенберг, высказывали похожие идеи еще до того, как Янг и Миллс создали свою теорию.

На научных семинарах нередко кто-то из слушателей бывает не согласен с докладчиком. Обычно в этом случае задают вопрос или заявляют о своих сомнениях, после чего дают возможность докладчику продолжить свое выступление. Но такая деликатность была не свойственна Паули, и он на том семинаре в Принстоне неоднократно прерывал Янга, требуя дать ответ на вопрос: «Какова же масса этих бозонов?»

Янг, родившийся в Китае в 1922 году и переехавший в США, чтобы учиться у Энрико Ферми, в 1957 году совместно с Т. Д. Ли получил Нобелевскую премию за работу по нарушению четности (лево-правой симметрии). Но в 1954 году, когда он делал этот доклад, он был еще сравнительно молод и не столь знаменит. Под натиском Паули Янг растерялся и в конце концов в середине доклада просто замолчал и сел на место. Роберт Оппенгеймер, который председательствовал на заседании, упрашивал его продолжить доклад, а Паули молчал. На следующий день Паули послал Янгу невинную записку: «Я сожалею, что Вы практически лишили меня возможности поговорить с Вами после семинара. Самые добрые пожелания. С уважением, В. Паули».

Паули не зря сомневался в существовании предсказанных Янгом и Миллсом невидимых безмассовых частиц, но и Янг не ошибся, отстаивая их существование, хотя тут возникало явное противоречие. В своей работе Янг и Миллс признали наличие проблемы, но выразили неясную надежду на то, что массу этим бозонам могли бы придать квантово-механические воздействия виртуальных частиц.

И они оказались почти правы! Сегодня мы знаем, что оба взаимодействия — сильное и слабое — описываются теорией, которую мы называем теорией Янга-Миллса. И обе эти силы используют очень разные, но одинаково хитрые способы, чтобы спрятать свои безмассовые частицы. В сильных взаимодействиях глюоны безмассовы, но они заперты внутри адронов, так что мы просто никогда не видим их. В слабых взаимодействиях W- и Z-бозоны остались бы безмассовыми, если бы не вмешательство всепроникающего поля Хиггса. Поле Хиггса нарушает симметрию, из которой появляются эти бозоны, и как только эта симметрия нарушается, нет никаких причин им оставаться безмассовыми. Чтобы понять все это, нужно немало поработать.

Нарушение симметрии

Чтобы понять, как симметрия может быть «нарушена», возвратимся из мира абстракций в нашу повседневную жизнь. Мы уже упоминали пару простых примеров симметрии вокруг нас: не имеет значения, где вы находитесь, и не имеет значения, в каком направлении вы ориентированы. В законах физики кроме этих есть еще одна симметрия, но ее труднее заметить: не имеет значения, с какой скоростью вы едете. Эта симметрия впервые была замечена не кем иным, как самим Галилеем.

Представьте себе, что вы находитесь в поезде, несущемся через поля и леса. Будем считать, что это не старомодный поезд на колесах, а суперсовременный — парящий над рельсами с помощью магнитной левитации. Если в поезде достаточно тихо и он движется без рывков, невозможно определить, не глядя в окно, с какой скоростью вы движетесь. А если, не обращая внимания на окружающих, проводить в поезде физические эксперименты, обнаружится, что скорость, с которой мы движемся, не имеет никакого значения. Поезд может стоять совершенно неподвижно или мчаться со скоростью 160 км/ч, результат вспенивания ментоловых пастилок при опускании в диетическую кока-колу будет в точности тем же самым.

В нашей повседневной жизни мы не замечаем этого замечательного факта по одной простой причине: мы можем выглянуть в окно или просто высунуть на улицу руку, и мгновенно становится ясно, что мы быстро движемся. Таким же образом мы даже можем измерить (или по крайней мере оценить) нашу скорость относительно земли или воздуха.

Это пример нарушения симметрии. Законы физики не зависят от того, как быстро вы двигаетесь, но поверхность земли и воздух определенно это чувствуют, и из-за них появляется выделенная скорость, а именно — нулевая, то есть та, при которой вы «покоитесь относительно поверхности земли». Это тот случай, когда фундаментальные правила игры обладают симметрией, но наша окружающая среда их не уважает и нарушает, и тогда мы говорим, что симметрия нарушена окружающей средой. Точно так же поступает со слабыми взаимодействиями поле Хиггса. Основополагающие законы физики подчиняются определенной симметрии, а поле Хиггса ломает ее.

Нарушение симметрии, о котором мы до сих пор говорили, часто называют «спонтанным» нарушением симметрии. Это способ сказать, что симметрия на самом деле действительно есть, и ее можно разглядеть в основных уравнениях, описывающих устройство мира, но из-за некоторых особенностей нашей среды появляется выделенное направление. То, что вы можете высунуть руку из окна поезда и измерить вашу скорость относительно воздуха, не меняет того факта, что законы физики инвариантны относительно скорости. На самом деле иногда из осторожности говорят о «скрытой» симметрии, а не о «спонтанно нарушенной». Подробнее об этом понятии спонтанности будет сказано в одиннадцатой главе.

Симметрии слабых взаимодействий

Оказалось, что идея Янга и Миллса по поводу симметричности нейтронов и протонов была в основном правильной. Теперь мы, конечно, уже знакомы с кварками, так что симметрию между верхними и нижними кварками можно предположить по аналогии. И в этом случае возникают похожие проблемы, ведь верхние и нижние кварки имеют различные массы и различные электрические заряды. Если бы эти различия можно было объяснить существованием хиггсовского поля, мы оказались бы правы. И как выяснилось, это действительно можно сделать.

Вот тут все становится настолько запутанным, что более подробное описание этих идей вынесено в Приложение 1. (Эти теории и не должны быть простыми. Мы рассказываем о серии открытий, за которые присуждено несколько Нобелевских премий!) Основные сложности заключаются в том, что элементарные фермионы обладают определенным свойством, называющимся «спин». Безмассовые частицы, которые всегда движутся со скоростью света, могут вращаться в одном из двух направлений: по часовой стрелке или против (если считать, что они летят на нас), то есть быть либо правшами, либо левшами. Секрет слабых взаимодействий состоит в том, что существует симметрия в отношении всех частиц-левшей и связанная с ней сила, но нет соответствующей симметрии для частиц-правшей. Слабые взаимодействия нарушают четность — они по-разному относятся к левшам и правшам. Можно составить представление о четности, вообразив, что вы смотрите на мир, отраженный в зеркале, где право и лево переставлены местами. Большая часть взаимодействий (сильные, гравитационные, электромагнитные) проявляют себя одинаково, смотрите ли вы на них непосредственно или через зеркало, но слабые взаимодействия воздействуют на правшей и левшей по-разному.

Симметрия слабых взаимодействий разбивает левые частицы на следующие пары:
  верхний кварк ↔ нижний кварк
  очарованный кварк ↔ странный кварк
  истинный кварк ↔ прелестный кварк
  электрон ↔ электронное нейтрино
  мюон ↔ мюонное нейтрино
  тау-частица ↔ тау-нейтрино.

Частицы, которые мы объединили здесь в пары, на первый взгляд кажутся очень разными, у них разные массы и заряды. Это все потому, что поле Хиггса, прячущееся в засаде, нарушает симметрию между ними. Если бы не было этого маскарада, частицы в каждой паре были бы совершенно неразличимы, так же как красные, зеленые и синие кварки, которые мы сейчас считаем тремя различными версиями одного и того же кварка.

Само поле Хиггса поворачивается под влиянием симметрии слабых взаимодействий. И именно поэтому когда оно принимает ненулевое значение в пустом пространстве, оно задает выделенное направление, так же как воздух задает скорость, относительно которой мы измеряем свою скорость при путешествии в поезде. Вернемся к нашему примеру с маятником. Самое низкое (устойчивое) энергетическое состояние обычного маятника совершенно симметрично, когда он направлен вниз. Перевернутый маятник, подобно полю Хиггса, нарушает симметрию, когда переходит в устойчивое состояние, то есть падает влево или вправо.

Если вы безнадежно заблудились в лесу ночью, все направления кажутся вам одинаковыми. Вы можете как угодно поворачиваться вокруг оси, стоя на месте, но толку! Прямо скажем, вы оказались в весьма тяжелой ситуации. Однако если у вас есть компас и вы помните, что собирались идти на север, направление, заданное компасом, нарушит симметрию. Теперь у вас появилось правильное направление движения, а остальные направления стали неправильными. Точно так же без хиггсовского поля электрон и электронное нейтрино (к примеру) были бы тождественными частицами. Их можно превращать друг в друга, и в результате в комбинации они станут неразличимыми. Но поле Хиггса, подобно компасу, ломает симметрию и задает выделенное направление. И тогда появляется одна конкретная комбинация полей, взаимодействующая сильнее с полем Хиггса, — ее мы называем «электроном» — и другая, которая не взаимодействует, и ее мы называем «электронным нейтрино». Такое различие между ними имеет смысл только благодаря полю Хиггса, заполняющему все пространство.

Если бы не нарушение симметрии, фактически имелось бы четыре бозона Хиггса, а не один — имелось бы две пары частиц, которые превращались бы друг в друга благодаря симметрии слабого взаимодействия. Но когда поле Хиггса заполняет пространство, три из этих частиц «съедаются» тремя калибровочными бозонами слабых взаимодействий, которые таким образом превращаются из безмассовых носителей взаимодействий в массивные W- и Z-бозоны. Да, да, именно так физики и формулируют это: бозоны слабого взаимодействия прибавляют в весе, поедая лишние бозоны Хиггса. Вспомним, что мы — то, что мы едим.

Возвращение к большому взрыву

Аналогия между полем Хиггса и перевернутым маятником на самом деле довольно удачная. Как по отношению к полю Хиггса, так и по отношению к маятнику основные законы физики совершенно симметричны, в них нет дискриминации ни левого, ни правого. Но у маятника есть только две устойчивые конфигурации — в положении лежа, слева или справа от точки крепления. Если бы мы попытались сбалансировать его очень тщательно в симметричной конфигурации, когда его конец направлен прямо вверх, все равно, любой незаметный толчок тотчас заставил бы его упасть влево или вправо.

Поле Хиггса ведет себя таким же образом. Оно может принять нулевое значение в пустом пространстве, но это будет нестабильной конфигурацией. Чтобы поднять маятник, неподвижно лежащий слева или справа от точки крепления, в вертикальное положение, мы должны затратить некоторую энергию. То же самое применимо и к полю Хиггса. Для выведения его из устойчивого ненулевого значения в каждой точке пространства в нулевое потребуется нечеловеческое количество энергии — гораздо больше, чем полная энергия теперешней наблюдаемой Вселенной.

Но Вселенная когда-то была гораздо более плотной, ее полная энергия была сконцентрирована в гораздо меньшем объеме. Во времена Большого взрыва — 13,7 миллиардов лет назад — вещество и излучение были невероятно сжаты и температура намного выше. Оставаясь в маятниковой аналогии, представьте себе, что перевернутый маятник закреплен на столе, а не прикручен болтами к полу. «Высокая температура» означает много быстрых случайных движений частиц — в нашей аналогии это похоже на то, что кто-то начинает руками трясти стол. Если трясти достаточно энергично, то в какой-то момент маятник получит такой сильный толчок, что он перекинется слева направо (или наоборот). А если трясти уже по-настоящему, как следует, маятник будет как сумасшедший все время болтаться между двумя положениями. Он проведет в среднем столько же времени в левой позиции, сколько и в правой. Другими словами, при высоких температурах перевернутый маятник снова становится симметричным.

То же самое происходит с полем Хиггса. В очень ранней Вселенной температура была невероятно высокой, и поле Хиггса постоянно болталось. В результате его значение в любой точке пространства скачкообразно перестраивалось и в среднем равнялось нулю. В ранней Вселенной существовала симметрия, W- и Z-бозоны были безмассовыми, как и фермионы Стандартной модели. Момент времени, когда поле Хиггса перешло из нулевого среднего значения в некоторое ненулевое, назвали «электрослабым фазовым переходом». Это было похоже на фазовый переход воды в лед при замораживании, правда, в ранней Вселенной никого вокруг не было и никто не мог наблюдать за этим переходом.

Сейчас мы говорим об очень раннем периоде в истории Вселенной — длительностью примерно одну триллионную секунды после Большого взрыва. Если бы вы попытались повторить эти условия у себя дома, поле Хиггса перескочило бы с нулевого в свое обычное ненулевое значение так быстро, что вы бы ни за что не заметили, что оно вообще было нулевым. Но физики могут с помощью уравнений проследить длинную последовательность событий, произошедших в ту первую триллионную долю секунды. И хотя на данный момент у нас нет никаких прямых экспериментальных данных для проверки этих теорий, мы работаем над тем, чтобы сформулировать такие предположения, которые когда-нибудь с помощью наблюдений можно будет подтвердить или опровергнуть.

Теория сложная, но успешная

История о том, что в ненулевых полях в пустом пространстве природа по-разному обходится с левшами и правшами и что одни бозоны прибавляют в весе, поедая другие, может показаться немного надуманной. Этот пазл собирался постепенно, в течение многих лет, и всегда сопровождался хором скептических голосов. Но... факты подтверждают эти теории!

Когда теория слабых взаимодействий была, наконец, сформулирована независимо Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, их работы, опубликованные в конце 1960-х годов, почти никто не воспринял серьезно. Уж слишком сложно, введено слишком много полей, выполняющих слишком много странных функций. К тому времени ученые уже поняли, что какие-то переносчики слабого взаимодействия, подобные W-бозонам, обязательно должны существовать в природе. Но Вайнберг и Салам предсказали новую частицу — нейтральный Z-бозон, по поводу которого не было никаких экспериментальных свидетельств. Позже, в 1973 году на детекторе ЦЕРНа с причудливым названием «Гаргамель» нашли свидетельства взаимодействия, в котором участвовал некий бозон, названный позже Z-бозоном. (Сам он, этот Z-бозон, был обнаружен только десять лет спустя, и тоже в ЦЕРНе.) С тех пор каждый эксперимент добавляет данных, и все они подтверждают правильность основных представлений о симметрии слабого взаимодействия, нарушенной полем Хиггса.

В 2012 году ученые, кажется, разгадали тайну поля Хиггса. Но это не конец истории, а только ее начало. Нет сомнений, что теория Хиггса согласуется с наблюдениями, но во многом она кажется довольно натянутой. Все частицы, которые мы когда-либо находили, были либо фермионами — «частицами вещества», либо бозонами, произошедшими из калибровочных полей, связанных с симметрией. Все, кроме бозона Хиггса, который, похоже, имеет другое происхождение. Так что делает его таким особенным? Почему только некоторые симметрии нарушаются и почему именно таким образом? А вдруг есть более глубокая теория и она объяснит все лучше? Теперь мы можем получать экспериментальные данные, а не просто создавать математические модели, и есть основания надеяться, что эксперименты окажут на ученых гораздо более вдохновляющее воздействие, чем просто мозговой штурм, и тогда появятся более совершенные теории.


1 В изотопическом пространстве.


0
Написать комментарий

    Элементы

    © 2005-2017 «Элементы»