Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса - Дэйв Голдберг

Для сравнения, масса W-бозона примерно в 85 раз превосходит массу протона, а Z0 еще массивнее. Слабые переносчики должны быть совершенно лишены массы — а они, наоборот, великаны. Это обстоятельство играет важную роль в физике слабого взаимодействия. В сущности, именно поэтому слабое взаимодействие такое слабое. Вот как писал Глэшоу:

Это камень преткновения, на который мы не должны обращать внимания.

Но нельзя же не обращать внимания на массу W-бозонов и Z0! Эти огромные массы генерирует бозон Хиггса, частица, о которой в последнее время так много говорят. Бозон Хиггса — это Йоко Оно электрослабого взаимодействия, катализатор, который заставил два взаимодействия разорвать отношения. Однако чтобы понять, почему вокруг бозона Хиггса столько шума, надо сначала сказать несколько слов о том, откуда вообще берется масса.

Массы и поля

Эйнштейна очень уважают, и есть за что. Он доказал, что время относительно, что свет — это частица и что атом действительно существует. Однако самое знаменитое его достижение — это формула, которая показывает, что из массы можно получить энергию и, что для наших целей еще важнее, что из энергии можно получить массу:

Я уже уподоблял поля ряби на различных вселенских батутах, однако не уделил особого внимания тому, чем эти батуты друг от друга отличаются. А между тем они совсем разные. Одни довольно неподатливые, другие более упругие. Неподатливый батут трудно раскачать, зато если это удается, он подбрасывает просто замечательно. Поразительно похоже на массу! Чтобы привести массивную частицу в движение, нужно приложить много силы, зато если уж это получилось, потребуется много силы, чтобы ее остановить.

Батут — это двумерная модель вселенной. Хотите все еще больше упростить и опуститься на одно измерение ниже? Хватит и гитары. Очень тонкие струны еще и очень легкие, и щипать их проще простого. Они колеблются быстро-быстро и издают высокий звук. Толстые менее податливые, и звук от них получается ниже. И каждая струна соответствует отдельной частице. Щиплите их на разных интервалах и с разной силой, и получите очень сложные звуки.

Чтобы разобраться, как все это происходит в царстве полей, нам придется взять лупу и поглядеть, как ведет себя при напряжении небольшой участок батута. Любые эластичные материалы, будь то батут, резиновая лента или гитарная струна, в целом хотят восстанавливать форму.

Рассмотрим миф о Сизифе. Возможно, вы помните, что Сизиф был коринфский царь и конченый негодяй. Он постоянно выводил богов из себя, и в конце концов его приговорили к тому, чтобы веки вечные закатывать в гору один и тот же гигантский валун.

Представьте себе, что вы Сизиф и хотите привести в движение какое-то поле. Это необходимое условие для создания частиц. Когда валун находится на ровном участке земли, его очень легко раскачать из стороны в сторону. А вот в глубокой долине это гораздо труднее сделать.

Сизиф и батут — это две совсем разные точки зрения на одно и то же: батут дает глобальное представление о поле, а Сизиф видит все более локально. Неважно, куда он решит толкать валун, на запад или на восток, ему будет одинаково трудно. Это тоже симметрия, просто довольно абстрактная. Сизиф не передвигает свой валун в пространстве. Просто когда он толкает его на восток, это все равно что колебать батут вверх, а на запад — вниз.

Рельеф долины полностью определяется тем, какой разновидности у вас частица, и чем она глубже, тем массивнее частица — в сущности, дело в том, что расшевелить поле становится все труднее и труднее.

Уловили суть? Отлично. Сейчас я взорву вам мозг.

Далеко не всякое поле можно представить себе в виде славной гладкой долины. Иногда они больше похожи на сложные горные кряжи со скалами и ущельями. Если не добавить энергии, валун в конце концов скатится в какое-нибудь ущелье и застынет там в состоянии покоя, однако вы так и не узнаете, добрались вы до самой глубокой точки или просто застряли в канаве. Однако с точки зрения Сизифа неважно, где вы — у подножия горы или просто в небольшой выемке. Важно лишь одно — сколько сил потребуется, чтобы сдвинуть валун.

Иначе говоря, очевидная масса частицы может меняться. Все зависит от рельефа местности и от того, в каком месте горы вы очутились. Сложные гористые ландшафты подобных полей, как выяснилось, приоткрывают покров тайны над тем, почему слабое взаимодействие такое слабое.

Масса и потенциал

Как нарушить симметрию

А теперь представим себе, что вы (по-прежнему Сизиф) решили взобраться на необыкновенно симметричный конический вулкан. Вы поднимаетесь на вершину, пристраиваете там валун в шатком равновесии и тут же засыпаете мертвым сном[101].

А наутро, проснувшись, вы понимаете, что утратили ориентацию в пространстве. У вас нет ни компаса, ни GPS, солнце скрылось за облаками, подножие вулкана заволокло густым туманом. День явно не задался.

Ваш валун находится в крайне шатком равновесии. Стоит чуть-чуть подтолкнуть его в любом случайном направлении — и он покатится по склону горы вниз.

Гора Хиггса

Поскольку нет ничего проще, чем подтолкнуть валун и отправить его катиться вниз, частица, соответствующая этому примеру, должна обладать нулевой массой.

Итак, валун катится по склону в долину. Выволочь его из долины — дело безнадежно трудное. Гора, само собой, не изменилась. Она по-прежнему идеально симметричная. Но поскольку вы больше не стоите на вершине, симметричной гора больше не выглядит. Более того, валуны в долине соответствуют массивным полям. Частица всего-навсего упала с горы — и при этом в мгновение ока превратилась из лишенной массы в массивную.

Перед нами пример нарушения симметрии — и это и есть ключ к пониманию того, почему сегодняшние физические законы уже не те, какими были в самом начале существования вселенной.

При очень высоких энергиях — из тех, которые наполняли вселенную в первые 10–12 с после Большого взрыва — электромагнетизм и слабое взаимодействие были едины, как мы уже видели. При этом и W-бозоны, и Z0, и фотоны были переносчиками электрослабого взаимодействия. Между тем наличествовало и еще одно поле — поле Хиггса. Именно поле Хиггса и стартовало с вершины горы.

Бозон Хиггса в последние несколько лет так и мелькал в прессе. Мы — то есть физическое сообщество — придаем ему такое значение, поскольку это последняя частица, предсказанная стандартной моделью, и мы ее нашли! Бозон Хиггса и есть ответ на вопрос, почему слабое взаимодействие такое слабое. А еще его роль так важна, поскольку он объясняет, откуда у Z0 и W-бозонов взялась масса. Массивные посредники не могут летать далеко, и именно поэтому два атома водорода должны подойти друг к другу близко-близко, прежде чем можно будет задумываться о термоядерном синтезе (не забывайте, речь идет о слабом взаимодействии). Скажем, для того, чтобы запустить слабое взаимодействие в молекуле воды (два атома водорода и один атом кислорода), ее нужно сжать примерно в миллион раз. Вот и хорошо. Вы на 70 % состоите из воды, и будет очень некстати, если в вас вдруг запустится термоядерный синтез.

В 1964 году полдюжины исследователей — Роберт Браут, Франсуа Энглер, Карл Хаген, Джеральд Гуральник, Питер Хиггс и Том Киббл — обнаружили, что нарушение симметрии объясняет наличие массы у Z0 и W-бозонов[102]. Поначалу эта мысль показалась полной чушью — даже тем, кому она пришла в голову.

Вот как сам Хиггс писал об этом коллеге:

История с полем Хиггса очень интересная. Как мы уже видели, она начинается на вершине симметричной на первый взгляд горы. Поле Хиггса сидело себе в шатком равновесии на вершине, однако подобно тому как нейтрино и электрон можно считать двумя сторонами одной медали, так и поле Хиггса обладает двойственностью.

Об этом важно помнить. Не забывайте, что симметрия электрона и нейтрино прямо связана со слабым взаимодействием. Помимо всего прочего, частица Хиггса взаимодействует с частицами W и Z. Вселенная в первые моменты своего существования была раскалена до такой степени, как будто бы на батуте Хиггса прыгала огромная толпа или — что то же самое — Сизиф катал свой камень туда-сюда в случайных направлениях, как заведенный.

Иначе говоря, было так жарко, что валун Хиггса не успел бы укатиться по склону очень уж далеко — его толкнули бы обратно. Когда вселенная стала остывать, Сизиф немного унялся, и валун покатился вниз и в конце концов очутился в относительно глубокой долине. Этот спуск нарушает прекрасную симметрию, с которой начался наш разговор. Сначала поле Хиггса могло покатиться в любую сторону, но когда валун уже покатился, это само по себе, в сущности, выбрало и закрепило одно из направлений, придало ему особость.