Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

Парнями из Бронкса — Вайнбергом и Глэшоу — руководила направляющая рука симметрии, но в электрослабой теории есть то, что должно вас обеспокоить. Я говорил вам, что W- и Z-бозоны оказались чрезвычайно тяжелыми частицами. Так и должно быть, ведь слабое взаимодействие работает на крохотном расстоянии — около одной миллиардной от миллиардной доли метра, или примерно один процент диаметра протона. Может показаться, что тут все нормально, однако в предыдущей главе мы также узнали, что симметрия — это ноль, а в случае со взаимодействиями это означает, что их переносят частицы с нулевой массой. Итак, если мы живем во Вселенной, которая руководствуется симметрией, почему она оставляет место для таких тяжеловесов, как W и Z? Почему у них нет нулевой массы, как того требует симметрия?

Пришло время добавить бозон Хиггса.

Бозон Хиггса

Бозон Хиггса входит в церковь.

— Что вы тут делаете? — спрашивает священник.

— Я здесь, чтобы служить мессу, — отвечает бозон[128].

Извините. Я знаю, что это плохая шутка. А как насчет физики? Возможно, вы слышали, что бозон Хиггса придает Вселенной ее массу. Ну это неправда. Возьмите книгу, которую вы держите в руках, или Джастина Бибера, или даже червяка, извивающегося в почве. Все эти объекты тяжелые (у них есть масса), — но что ее создает? Едва ли бозон Хиггса: он дает на деле менее одного процента. Благодаря той поэтической эквивалентности, которую Эйнштейн установил для массы и энергии, все, что вы видите вокруг себя, получает свою массу из энергии. Именно энергия хранится в связях ядерной физики — в цепях глюонов, скрепляющих протоны и нейтроны. Если весы в ванной показывают на несколько килограммов больше, чем вам бы хотелось, можете винить глюоны, энергию или гамбургер, съеденный в пятницу вечером. Но не вините бозон Хиггса.

Все сказанное верно для книг, Бибера и червяков. Но если мы интересуемся элементарными частицами, например W- и Z-бозонами, кварками и лептонами, то ситуация немного иная. Масса, которую они имеют, действительно зависит от хиггсона. Мы знаем, что симметрия — это ноль, а значит, переносчик взаимодействия не может иметь массу. Вот почему фотон и глюон не имеют массы. Чтобы появились такие тяжеловесы, как W- и Z-бозоны, мы должны убить симметрию.

Глэшоу понимал это. Он взял симметрию, которая руководила его идеями, и в конце расчетов разрушил ее. Разнес вдребезги. Но есть и другой способ — более щадящий. Чтобы придать массу W- и Z-бозонам, не нужно нарушать симметрию Глэшоу — достаточно ее скрыть. Симметрии скрываются в результате процесса, который называется спонтанным нарушением симметрии. Это ужасное название, поскольку симметрия никогда по-настоящему не нарушается, а всего лишь скрывается, но не будем зацикливаться на семантике. Вместо этого я расскажу вам сказку.

Жила-была принцесса с красивыми длинными золотыми волосами. Ее звали Рапунцель, и злая ведьма заперла ее в башне посреди леса. Однажды Рапунцель увидел проходивший мимо физик. «Она идеально подойдет для моего эксперимента», — подумал он и унес ее в открытый космос. Когда они оказались в вакууме, вдали от земного притяжения, физик заметил, что золотые локоны Рапунцель одинаково протягиваются во все стороны. Этого он и ожидал. Он поворачивал принцессу на произвольный угол, однако положение волос не менялось. Они всегда были направлены во все стороны. Так природа сообщала ему, что законам физики плевать на повороты, то есть они обладают вращательной симметрией. Затем он вернул Рапунцель на Землю и повторил свой эксперимент. Симметрия исчезла. Когда он поворачивал принцессу, положение волос изменялось: они всегда устремлялись к земле. Конечно, со временем физик понял, что симметрия на самом деле не исчезла: базовые законы природы все же равнодушны к вращению. Просто гравитационное поле Земли, действующее на волосы Рапунцель, скрыло эту симметрию из виду. В этой истории симметрия очевидна в вакууме пустого пространства, но скрыта в гравитационном поле Земли.

Вращение Рапунцель в космосе и на Земле

В начале 1960-х блестящий, хотя и необщительный японский физик по имени Йоитиро Намбу понял, что в эту игру можно играть и наоборот: иногда симметрию скрывает сам вакуум. Почти пятьдесят лет спустя такие идеи принесли ему поездку в Стокгольм и долю Нобелевской премии. Для большинства людей вакуум представляет собой заброшенное пустое место, где исчезают все поля. Так бывает часто, но, как понял Намбу, так быть не должно. По определению вакуум — самое спокойное из всех квантовых состояний, состояние с наименьшей энергией. Представьте бешеную домашнюю вечеринку, где все танцуют, а дом наполнен энергией и возбуждением. Ясно, что это не особо спокойное состояние, и вы, естественно, не назовете его вакуумом. Позже, когда все отключились, дом оказался в низкоэнергетическом состоянии. Вы можете понизить энергию еще больше, вышвырнув всех гостей. Убрать всю мебель. Удалить весь воздух. Устранить все квантовые поля. Возможно, тогда получился бы вакуум. Может быть. Однако Намбу и его итальянский коллега Джованни Йона-Лазинио показали, что иногда энергию можно еще немного уменьшить. Поля в вакууме в их продуманной модели протонов и нейтронов оказывались не пустыми. Они были заполнены по всему пространству, причем так, что определенные симметрии скрывались.

Модель Намбу и Йона-Лазинио может быть образцом, но если мы действительно хотим понять, как вакуум скрывает симметрию, то нам следует поиграть с более простой моделью — например, той, где участвует бозон Хиггса. Мы можем получить интуитивное представление о происходящем с помощью бутылки вина. Прежде всего — это моя любимая часть — вы должны опустошить бутылку. Когда вы это сделаете, взгляните на донышко. Вы заметите, что стекло имеет форму так называемого курганного замка: в середине находится холмик, а вокруг него — небольшой ров. Если поворачивать бутылку, пока она стоит на донышке, она фактически не меняется в силу своей вращательной симметрии. Теперь оторвите кусочек пробки и бросьте внутрь. Существует очень, очень крохотный шанс, что он упадет не в ров, а точно на вершину холмика. Если теперь вы снова станете очень осторожно вращать бутылку, а пробка не скатится, то симметрия сохранится. Но, скорее всего, пробка упадет куда-то в ров. В этом случае симметрия нарушится. При вращении бутылки вращается и пробка, и картина меняется. Пробка, решив оказаться во рву, похоже, нарушила симметрию.

Спонтанное нарушение симметрии в винной бутылке

Этот кусочек пробки подобен полю Хиггса, а бутылка — его так называемому потенциалу, аналогичному электрическому или гравитационному: он управляет тем, что происходит с бозоном Хиггса, когда вы подпитываете его энергией или отнимаете