Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы - Стивен Вайнберг

Однако подобная симметрия определенно отсутствует в окружающей нас природе, и поэтому-то ее так долго не могли открыть. Например, электроны и частицы W, Z обладают массами[162], а нейтрино и фотоны не имеют массы. (Слабые силы во много раз слабее электромагнитных именно благодаря большой массе W, Z.) Иными словами, симметрия, связывающая электроны, нейтрино и другие частицы, есть свойство основных уравнений стандартной модели, определяющих свойства элементарных частиц, но в то же время, эта симметрия не выполняется для решений этих уравнений, т.е. для свойств самих частиц.

Чтобы понять, как это возможно, чтобы уравнения имели симметрию, а решения – нет, предположим, что наши уравнения полностью симметричны относительно двух типов частиц (например, u-, d-кварков), и мы хотим найти решения этих уравнений, определяющие массы обеих частиц. Можно было бы предположить, что симметрия между двумя типами кварков приведет к тому, что и их массы окажутся одинаковыми, но это не единственная возможность[163]. Симметрия уравнений не исключает возможности того, что решение будет давать массу u-кварка больше, чем масса d-кварка, но при этом обязательно должно существовать второе решение уравнений, дающее массу d-кварка на столько же большую массы u-кварка. Таким образом, симметрия уравнений необязательно должна отражаться в симметрии каждого отдельно взятого решения этих уравнений, а лишь во всей совокупности решений. В этом простом примере реальные свойства кварков будут соответствовать одному или другому решению, демонстрируя нарушение симметрии исходной теории. Заметим, что на самом деле безразлично, какое из двух решений реализуется в природе, если единственной разницей между кварками u и d является разница в их массах, тогда разница между двумя решениями будет соответствовать тому, какой из кварков мы назовем u, а какой d. Природа, как мы ее знаем, соответствует одному решению всех уравнений стандартной модели, при этом безразлично какому, если только все решения связаны точными принципами симметрии.

В подобных случаях говорят, что симметрия нарушена, хотя лучше было бы говорить, что симметрия «спрятана», так как уравнения продолжают обладать симметрией, и именно уравнения определяют свойства частиц. Описанное явление называется спонтанным нарушением симметрии, так как ничто не нарушает симметрию уравнений теории, а нарушение симметрии возникает спонтанно в различных решениях уравнений.

Красота наших теорий во многом определяется принципами симметрии. Именно поэтому первые работы по спонтанному нарушению симметрии в начале 60-х гг. вызвали столь большой резонанс. Перед нами вдруг открылось, что в законах природы есть значительно больше симметрии, чем это кажется на основе анализа свойств элементарных частиц. Нарушенная симметрия – вполне платоновское понятие: та реальность, которую мы наблюдаем в наших лабораториях есть лишь искаженное отражение более глубокой и более красивой реальности уравнений, отображающих все симметрии теории.

Обычный постоянный магнит является хорошим реалистичным примером нарушенной симметрии. (Этот пример особенно подходит потому, что идея спонтанного нарушения симметрии появилась впервые в квантовой физике в 1928 г., в построенной Гейзенбергом теории постоянного магнетизма.) Уравнения, определяющие поведение атомов железа и магнитное поле в магните, нагретом до очень высокой температуры (скажем, 800 °С), обладают точной симметрией по отношению ко всем направлениям в пространстве: ничто в этих уравнениях не отличает север от юга или восток от запада. Однако если кусок железа охладить ниже 770 °С, он внезапно приобретает определенным образом направленное магнитное поле[164], нарушая тем самым симметрию между направлениями. Расе крохотных существ, родившихся и проживших всю жизнь внутри постоянного магнита, потребовалось бы много времени на то, чтобы осознать, что истинные законы природы обладают полной симметрией относительно разных направлений в пространстве, и выделенное направление возникает только потому, что спины атомов железа спонтанно выстраиваются в одну сторону, создавая магнитное поле.

Подобно существам внутри магнита, мы недавно обнаружили симметрию, которая нарушается в нашей Вселенной. Эта симметрия связывает слабые и электромагнитные силы[165], а ее нарушение проявляется, например, в разнице между безмассовым фотоном и очень тяжелыми частицами W и Z. Большая разница между нарушением симметрии в стандартной модели и в магните заключается в том, что происхождение намагниченности хорошо известно. Она возникает за счет известных сил взаимодействия между соседними атомами железа, стремящимися выстроить свои спины параллельно друг другу. Стандартная модель гораздо менее изучена. Ни одна из известных сил, входящих в стандартную модель, недостаточно велика, чтобы принять на себя ответственность за нарушение симметрии между слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Главное, чего мы все еще не знаем о стандартной модели, – это что является причиной нарушения электрослабой симметрии.

В первоначальной версии стандартной теории слабых и электромагнитных взаимодействий нарушение симметрии между этими взаимодействиями было приписано новому полю, специально для этой цели введенному в теорию. Как и магнитное поле в обычном постоянном магните, это поле может спонтанно поворачиваться, указывая некоторое направление, правда, не в обычном пространстве, а на воображаемом циферблате, направление стрелок на котором отличает электроны от нейтрино, фотоны от частиц W, Z и т.п. То значение поля, при котором нарушается симметрия, принято называть вакуумным значением, так как поле принимает это значение в пустоте, в области вдали от воздействия других частиц. После четверти века исследований мы так и не знаем, верна ли такая простая картина спонтанного нарушения симметрии, но пока эта картина остается наиболее приемлемым объяснением.

Не первый раз, желая удовлетворить некоторым требованиям теории, физики предполагают существование новых полей. В начале 30-х гг. беспокойство ученых вызывал закон сохранения энергии в процессе бета-распада радиоактивных ядер. В 1930 г., для того чтобы восстановить баланс энергии, казалось бы, бесследно теряемой в этом процессе, Вольфганг Паули предположил, что существует частица с подходящими свойствами, названная им нейтрино, которая и уносит недостающую энергию. Трудноуловимое нейтрино было в конце концов экспериментально обнаружено[166] более чем два десятилетия спустя. Утверждать существование чего-то, что еще никогда не наблюдалось, – дело рискованное, но иногда приносящее успех.

Как и другие поля в квантово-механической теории, это новое поле, ответственное за нарушение симметрии электрослабых взаимодействий, должно переносить энергию и импульс в виде сгустков или квантов. Электрослабая теория утверждает, что, по крайней мере, один из этих квантов должен наблюдаться как новая элементарная частица. За несколько лет до того, как Салам и я разработали теорию объединения слабых и электромагнитных сил, основанную на идее спонтанного нарушения симметрии, ряд теоретиков дал математическое описание простых примеров подобного нарушения симметрии[167]. Особенно ясно это удалось сделать в 1964 г. Питеру Хиггсу из Эдинбургского университета. Поэтому новую частицу, с необходимостью возникшую в первоначальной версии электрослабой теории, назвали хиггсовской частицей.

Никто еще не обнаружил хиггсовскую частицу, но это не противоречит теории: хиггсовская частица и не могла бы быть обнаружена в сделанных до сих пор экспериментах, если ее масса больше пятидесяти масс протона, что вполне возможно. (К сожалению, электрослабая теория молчит в отношении точного значения массы хиггсовской частицы, только ограничивая ее значение сверху числом в один триллион электрон-вольт, т.е. в тысячу раз больше массы протона.) Необходимы новые эксперименты, чтобы проверить, действительно ли существует хиггсовская частица, а может, и несколько таких частиц с отличающимися свойствами, и установить их массы.

Важность этих проблем выходит за рамки вопроса о характере нарушения электрослабой симметрии. Теория электрослабых взаимодействий дала нам понимание того, что все частицы стандартной модели, за исключением хиггсовских частиц, приобретают свои массы за счет нарушения симметрии между слабыми и электромагнитными силами. Если бы мы могли каким-то способом выключить это нарушение симметрии, то электрон, частицы W, Z и все кварки стали бы безмассовыми, как фотон или нейтрино. Поэтому загадка происхождения масс элементарных частиц есть часть проблемы понимания механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. В первоначальной версии стандартной модели хиггсовская частица – единственная, масса которой непосредственно входит в уравнения теории, нарушение электрослабой симметрии придает всем другим частицам массы, пропорциональные массе хиггсовской частицы. Но у нас нет уверенности, что все обстоит так просто.