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

У физики и у науки в целом сложилась обидная репутация, будто все это неприятные упражнения в созерцании собственного пупка, и это, пожалуй, величайшая несправедливость на свете. Нет никаких сомнений, что в этом повинны задачки про блоки и тела на наклонных плоскостях, с которыми школьники сталкиваются на уроках физики. Это все равно что бесконечно играть гаммы и на этом основании судить о красоте музыки.

Вообще-то заниматься наукой весело и интересно. Ну да, конечно, то и дело вязнешь в списках частиц и каких-то оккультного вида законах, но ни на миг нельзя забывать, что вообще-то это весело и интересно. Настоящая физика — это увлекательная игра с участием всей вселенной.

Казалось бы, считать науку игрой — это несколько ее опошлять, однако я считаю, что в игру стоит играть ради ее правил (за исключением квиддича). Понять правила — первый шаг к тому, чтобы овладеть игрой.

В мире физики правила не изложены в удобной брошюрке. Нам приходится выводить их из наблюдений и экспериментов. И когда мы наталкиваемся на ограниченность собственных познаний, нам приходится на миг отойти в сторону и провести инвентаризацию — что же мы упустили?

В самом начале книги мы познакомились с метафорой Ричарда Фейнмана, который уподобл науку игре во вселенские шахматы. Распознать все симметрии во вселенной мы сумеем только после того, как пристально пронаблюдаем великое множество партий, но главное — мы сумеем разобраться, когда эти симметрии нарушаются.

В ту же игру мы можем играть — и уже играли — с вселенскими законами. Всего лишь из трех внутренних симметрий мы тут же вывели список всех частиц и сил во вселенной. Мы можем снабдить вас полным перечнем возможных фермионов (напомню: это частицы со спином , которые составляют вещество). Мы способны предсказать все фундаментальные взаимодействия и бозоны, которые служат их переносчиками. Мы можем разобраться, какой заряд, цвет, слабый изоспин или гиперзаряд у какой частицы.

Неплохо.

Итак, мы уже нашли все до единой частицы, предсказанные стандартной моделью, и ничего лишнего. Помимо этого, мы можем вычислить всевозможные взаимодействия с безумной точностью до десятого знака после запятой.

И при всем при том на нетренированный взгляд стандартная модель выглядит как-то неэлегантно. Некоторые ее законы ужасно узкоспециальные и, положа руку на сердце, вызывают почти у всех, кто над ними задумывался, неприятное ощущение, что тут должно быть что-то куда как глубже. Стандартная модель — это такая шикарная квартира, в которой вы замазали все щели зубной пастой в надежде, что хозяин вернет вам залог, который вы внесли, когда ее снимали. Вид, конечно, очень красивый и аккуратный — и по большей части все и правда красиво и аккуратно, — однако некоторые важные вопросы определенно требуют ответа.

Нет физики — нет проблем

У стандартной модели, как вы сейчас убедитесь, есть некоторые проблемы, но перед тем, как я в них углублюсь, хочу обратиться к вам с небольшой просьбой. К подобным признаниям принято относиться с излишней серьезностью, как будто любую проблему нужно срочно-срочно решать. Отнюдь нет. Нынешняя модель вселенной не лишена недостатков, однако не может быть, чтобы мы настолько уж отклонились от истины. Общая теория относительности гораздо точнее ньютоновой теории гравитации, однако это не означает, что мы, обитатели постэйнштейновского мира, должны насмехаться над Ньютоном. Подобным же образом не так уж важно, каким именно образом мы объединим квантовую механику и гравитацию — обе теории, если не случится ничего катастрофического, все равно позволят нам и дальше делать очень точные предсказания.

При всем при том сейчас я познакомлю вас с одним прелестным образчиком из нашей сокровищницы невежества, а потом проведу экскурсию по самым лучшим на данный момент способам разобраться с этим безобразием.

Почему симметрии именно такие, а не другие?

Вся наша модель вселенной построена на симметриях. Одни симметрии, например, изотропия (законы одинаковы по всем направлениям), однородность (одинаковы везде) и инвариантность времени (одинаковы в любой момент времени), представляются довольно-таки естественными. Даже относительность, Лоренц-ковариантность, которая позволяет всем наблюдать одну и ту же скорость света, обладает определенной красотой и элегантностью, которая позволяет ей выглядеть естественно.

Но стоит нам углубиться во внутренние симметрии стандартной модели — и они, честно говоря, представляются совершенно узкоспециальными (то есть некрасивыми) даже непосвященным. Конечно, фазовая симметрия, та, благодаря которой у нас есть электромагнетизм, устроена вроде бы проще некуда. Однако среди всех прочих, тех, из которых вырастают слабое и сильное взаимодействия, есть много отнюдь не таких простых. Почему вселенная избрала именно их?

А некоторые симметрии опережают по сложности даже те, которые генерируют силы. Пересмотрите еще раз перечень частиц из стандартной модели — и вы обнаружите, что все фермионы красиво и аккуратно распределяются по трем поколениям, каждое следующее массивнее предыдущего. Например, верхний и нижний кварки самые легкие. Очарованный и странный на вид почти такие же — одинаковый заряд, одинаковый спин, одинаковые взаимодействия — однако примерно в сто раз массивнее. Топ— и боттом-кварки (они же прелестный и истинный кварки) такие же, но еще в несколько сотен раз массивнее.

Зачем вселенной три поколения фермионов, когда практически все взаимодействия в нашей повседневной жизни прекрасно обошлись бы и одним? Как высказался нобелевский лауреат Исидор Раби по поводу открытия мюона, который представляет собой всего лишь разновидность электрона во втором поколении:

А это кто заказывал?!

Такое ощущение, что вселенная не просто выбрала самые простые из возможных симметрий и удовольствовалась ими. Вот, например, почему вселенная леворукая?

Когда создается нейтрино, оно всегда вращается в одну определенную сторону. И это не просто курьез. То, что вселенная сделала определенный выбор, пусть и самый что ни на есть произвольный, несказанно важно — по крайней мере, для всего, что основано на веществе. Еще в первой главе Андрей Сахаров показал нам, что во вселенной-амбидекстере избытка того, что местные жители могли бы назвать веществом, быть не может.

Так почему же и как вселенная выбрала одно направление, а не другое? Нет никаких особых причин, по которой у нас не может быть самой что ни на есть симпатичной вселенной, идентичной нашей, только не леворукой, а праворукой. И почему только слабое взаимодействие, так сказать, «ходит налево»?

Это отнюдь не риторический вопрос. Среди уроков, который преподают нам симметрии, едва ли не самый важный состоит в том, что если теория в принципе может охватить какое-то конкретное явление, она его, скорее всего, охватит. В частности, это можно сказать о квантовой хромодинамике — теории сильного взаимодействия[107], которая весьма естественно содержит слагаемое, нарушающее симметрию отражения.

Попробуйте представить это себе следующим образом. Предположим, вы сидите за круглым столом на роскошном званом обеде и обнаруживаете два бокала с водой — один справа от вас, а другой слева. Разумеется, в книге «Как себя вести» написано, из какого бокала вам положено пить[108], однако предположим, что манеры у вас такие же скверные, как и у меня, — тогда вам подойдет любой бокал. Однако дело вот в чем: если вы выберете, например, тот бокал, который от вас слева, у вашей соседки слева не останется выбора: ей придется пить из бокала, который стоит слева от нее, и т. д. Если симметрия нарушается, она нарушается везде.

Не существует никаких доказательств, что у сильного взаимодействия есть хоть какое-то предпочтительное направление, а между тем проведены эксперименты, которые выявили бы асимметрию с точностью до одной миллиардной.

Интересное потенциальное решение предложили в 1977 году Роберто Печчеи и Элен Куинн. Они выдвинули гипотезу, что симметрия «лево-право» сама по себе — как и другие симметрии — предполагает наличие частицы. В этом случае частица называется «аксион». Аксион не просто объясняет симметрию сильного взаимодействия. Поскольку эта разновидность частиц нейтральна, массивна и — как можно ожидать — весьма многочисленна, то если аксион существует, он может оказаться недостающей частицей темного вещества. Слово «может» здесь ключевое. Пока что самые усердные поиски и в космосе, и в лаборатории не дали ни малейшего результата.

Что значит «сильное» и «слабое»?

Сами названия фундаментальных взаимодействий многое говорят об их важнейших качествах. Два из них называются слабым и сильным. Мы уже поняли, почему слабое взаимодействие такое слабое (поле Хиггса), но почему сильное — такое сильное? Если бы сильное взаимодействие не было сильнее электромагнетизма, кварки в ваших протонах и нейтронах отталкивались бы друг от друга так неистово, что это вызывало бы взрыв, который уничтожил бы и вас, и все, что вы любите. Так что нам очень повезло, что сильное взаимодействие так сильно, однако это же н объясняет, почему ему обязательно нужно быть именно таким, верно?

Даже слабое взаимодействие, невзирая на название, на самом деле процентов на 80 сильнее электромагнетизма. Оно кажется слабым лишь из-за того, что его переносчики так массивны. Когда удается разогнать этих крошек до скорости, близкой к скорости света, слабое взаимодействие становится гораздо сильнее — то есть не то слово!

А относительная сила взаимодействий — это только верхушка айсберга. Не надо забывать, что в стандартной модели девятнадцать свободных параметров. В их число входят не только величины всевозможных сил, но и массы разных частиц и то, как сочетаются силы и частицы. Причем все эти числа — не незатейливые математические величины вроде, например, единицы или p. Напротив, как выяснилось, это какие-то малосимпатичные числа вроде 1,137,0359… для электромагнитного взаимодействия или 125 ГэВ для массы Хиггса.

Мы мимоходом затрагивали тему антропного обоснования законов физики. Не исключено, что эти девятнадцать с чем-то параметров в разных частях множественной вселенной разные, а по какой-то загадочной причине, которую мы еще не установили, лишь некоторые их сочетания, в частности, наше, допускают развитие жизни столь высокоорганизованной, что она способна создать ускорители частиц. А еще не исключено, что мы просто пока плоховато знаем физику, чтобы предсказать эти величины на основании фундаментальных законов, и нам просто повезло.

Теперь поговорим о массах (и почему они такие маленькие)

Вероятно, вы заметили, что я исподтишка подсунул в список необъяснимых параметров массы фундаментальных частиц. «Постойте! — воскликнете вы. — Кажется, вы всю последнюю главу только и делали, что объясняли, откуда берутся массы!»

Так и было, однако хотя поле Хиггса придает различным частицам массу, количество этой массы приходится вводить вручную. Открыть бозон Хиггса, а затем подтвердить его существование было так трудно именно потому, что мы не сомневались, что он существует, но никак не могли установить, какова его масса. Пришлось рассматривать кучу разных вариантов.

Еще страннее, что когда пытаешься угадать массу частицы, почти всегда ошибаешься.

Угадывать массу частицы — это примерно то же самое, что иногда делают на ярмарках, когда соревнуются в точном определении на глаз веса больших головок сыра, только в нашем случае, чтобы понять, как именно масса входит в уравнение, приходится еще учитывать все подсказки и суть законов физики. Для этого приходится перетасовывать и сопоставлять все фундаментальные физические постоянные: с (скорость света), ћ (постоянная Планка) и G (гравитационная постоянная Ньютона).

Эти числа удостоились подобной чести, поскольку описывают не какую-то конкретную силу или конкретную симметрию. Точно так же как скорость света можно принять за 1 (и таким образом приравнять световой год просто к году), остальные постоянные тоже можно всячески тасовать и перемешивать независимо от того, какие единицы измерения рассматриваешь. Стоит перемножить фундаментальные постоянные в нужных степенях — а из соображений размерности это можно сделать лишь одним способом — и получишь массу примерно в 20 миллиардных килограмма. Это называется планковская масса[109], и любой специалист по физике элементарных частиц скажет вам, что она огромна — примерно в 10¹⁹ раз больше массы протона.

Поскольку в уравнение входят и гравитационная постоянная, и постоянная Планка, планковский масштаб учитывает воздействие как сильной гравитации, так и квантовой механики. В самом-самом начале вселенной — примерно через 10^–44 секунды после Большого Взрыва (это очень-очень мало и называется, кстати, планковское время) — квантовые флуктуации создали черные дыры, которые буквально заполонили вселенную. И мы правда не понимаем, каковы были законы физики в планковское время.

Планковская масса задает естественную шкалу, позволяющую понять, чего можно ожидать от фундаментальных частиц, однако мы так и не нашли частицу, чья масса хотя бы отдаленно была похожа на планковскую. Планковская масса приблизительно в 100 квадрильонов раз больше массы топ-кварка — самой тяжелой из известных нам частиц. Это как будто на ярмарке кто-нибудь предположил бы, что вы весите как Плутон. Это, конечно, очень грубо — зато наталкивает на мысль, что оценщику хорошо бы избрать себе какое-нибудь другое поприще.

Если, к примеру, протон обладает массой в 10^–19 планковской, физики понимают, что это как-то очень мало и, наверное, требует объяснений. Какова вероятность, что мы получили столь малую величину по чистой случайности? Поскольку ни одна из известных частиц даже близко не подходит к массе, которая им полагается «от природы», остается вопрос: почему все такое легкое?

Как устроена гравитация?

Когда я описывал стандартную модель, то прибегал к выражениям вроде «три силы за исключением гравитации». Но почему же мы исключаем гравитацию? По всей видимости, ее роль в порядке вещей не так уж незначительна.

Общая теория относительности великолепно описала гравитацию, однако нельзя отрицать, что гравитация по форме разительно отличается от всех остальных взаимодействий: ни частицы-переносчика, ни квантовой неопределенности. Как же нам примирить ее со всеми прочими, а в частности — с квантовой механикой?

Поскольку гравитация доминирует, когда массы достаточно велики, а квантовая механика — на мелких масштабах, как правило, этим двум теориям нечего делить. В нормальных обстоятельствах на то, как объединить квантовую механику и гравитацию, нам намекают излучение Хокинга и эффект Унру, однако мы до сих пор не знаем точно, как объединить эти теории в целом.

Мы не понимаем, как быть с сингулярностями вроде тех, которые мы обнаруживаем в центрах черных дыр и в момент Большого взрыва. Сингулярность — это космологический аналог — волшебная сумка из игры в «Dungeons & Dragons»: можно поместить в конечный объем пространства буквально бесконечное количество вещества. По правде говоря, как это получается, не знает никто.

Чего нам еще не хватает?

Я сделал довольно смелое заявление, что стандартная модель позволяет нам предсказать все частицы, какие только мы ни наблюдали, и ничего лишнего. Строго говоря, так и есть, только я позабыл напомнить вам, что есть еще несколько физических явлений, которые пока остаются необъясненными, и стандартная модель тут оказывается бессильной.

К несчастью для нас, это не какие-нибудь мелочи, а темное вещество с темной энергией, которые совокупно составляют приблизительно 95 % плотности энергии во вселенной.

Если помните, темное вещество скрепляет галактики и звездные скопления, и его, по всей видимости, раз в пять-шесть больше, чем обычного вещества, состоящего из протонов и нейтронов. Гравитационное воздействие темного вещества мы наблюдаем непосредственно, и это наводит на очевидный вывод, что где-то поблизости шныряет какая-то частица темного вещества. А поскольку темное вещество обеспечивает так много массы, частиц темного вещества должно быть, прямо скажем, очень много. Темное вещество должно быть электрически нейтральным, иначе мы бы его сразу заметили. Этим условиям из всей стандартной модели удовлетворяют одни лишь нейтрино, однако, хотя их и в самом деле очень много, они очень легкие, и на темное вещество их не хватит. Другой вероятный кандидат — аксионы, вот только, как я уже говорил, мы совсем не уверены, что они вообще есть на свете.

Однако есть проблема и похуже — по крайней мере с точки зрения каталогизации долей энергии во вселенной. Это темная энергия, которая, судя по всему, составляет чуть ли не 73 % общей плотности энергии во вселенной. Такого шила в мешке не утаишь.

Простейшее объяснение темной энергии состоит в том, что это суммарное воздействие частиц, возникающих и исчезающих в вакууме. В некотором смысле считать темную энергию энергией вакуума — это идеальный выход из положения. Прорешайте уравнения — и окажется, что энергия вакуума вызывает ускоряющееся расширение вселенной, в точности как темная энергия.

Однако тут таится подвох. Как же без этого.

Плотность вакуума, которая получается из теоретических расчетов, катастрофически велика. Если взять и посчитать ее, выйдет число примерно в 10¹²⁰ раз больше, чем наблюдаемая во вселенной плотность темной энергии. Если вам интересно, откуда берется такое число, имейте в виду, что плотность вакуума — это отношение одной планковской массы к кубу планковской длины.

Проблема темной энергии куда болезненнее, чем кажется на первый взгляд, поскольку мы даже не знаем, в какой области физики искать решение. Очень может быть, что мы не вполне верно интерпретируем стандартную модель. А может статься, темная энергия заложена в законы гравитации — в эйнштейновскую космологическую постоянную. Если дело в этом, нам либо придется смириться с тем, что темная энергия просто есть, либо мы так и не сможем найти к ней подход, пока не построим рабочую теорию квантовой гравитации.

Напрашивается вывод, что мы просто не представляем себе, что такое темная вселенная. Мы можем количественно оценить ее, что, конечно, уже хорошо, однако о ее сущности ничего особенного сказать не можем.

Сколько можно?! Вернемся к нарушению симметрии!

Довольно нытья. Мы уже так давно отклонились от темы симметрии, что стыдно жаловаться, как много мы не знаем. Вы раскошелились на книжку не ради извинений, а ради объяснений.

Если взглянуть на все чуточку шире, мы обнаружим, что на самом деле перед нами не несовершенные симметрии, а совершенный в своем несовершенстве персидский ковер. А что если было такое время в истории вселенной, когда эти симметрии были совершенны, а потом что-то случилось — например, не так легли карты квантовой механики — и равновесие нарушилось[110]? Иначе говоря, нарушилась симметрия?

Нарушение симметрии уже встречалось нам пару раз, однако поскольку мы думаем о мозголомном мире внутренних симметрий и о физике частиц, не помешает освежить в памяти, о чем, собственно, речь.

Предположим, вы обследуете ледяную планету Хот. Куда бы вы ни направились, жизнь повсюду более или менее одинакова — стоит трескучий мороз. Это потому, что планета находится в центре пространства. Она обладает идеальной сферической симметрией. Жизнь одинакова, куда бы вы ни пошли, и хотя, если вам так уж приспичило рисовать карту, вы вольны выбирать хоть Северный полюс, хоть экватор, без дополнительных ориентиров вроде звезд или каких-то ландшафтных примет подобные направления более или менее лишены смысла.

А вот если запустить Хот по орбите вокруг Солнца, все тут же изменится. Например, экватор сразу становится местом особенным — и там будет жарче среднего, совсем как на Земле. Климат будет сильно меняться в зависимости от широты.

Подобное нарушение симметрии сильно влияет на взаимодействие людей на Земле. Географ и физиолог Джаред Даймонд в своей книге «Ружья, микробы и сталь» доказывает, что технический прогресс, развитие сельского хозяйства и распространение заболеваний происходило по линиям тех или иных широт и что ориентация Евразии с запада на восток обеспечила ее жителям технологические и иммунологические преимущества по сравнению с обитателями обеих Америк.

Мы всего-навсего создали взаимодействие — и мгновенно перешли от двумерной симметрии, где планета повсюду примерно одинакова, к одномерной симметрии, где жизнь одинакова только на одинаковых широтах. Однако, в отличие от Хота, где симметрии нарушаются, если добавить источник тепла, нарушение симметрии почти всегда происходит, наоборот, при остывании системы.

Возьмем, к примеру, железо. Наверное, вы знакомы с железом благодаря его способности удерживать рисунки ваших детишек на дверце холодильника. Вращение каждого атома железа формирует миниатюрный магнит. Это свойство присуще многим веществам, однако железо занимает особое место, поскольку для его атомов оказывается энергетически выгодно выстраиваться в структуры, и при этом атомы железа сообща создают довольно мощное магнитное поле.

С другой стороны, уничтожить железный магнит очень просто, достаточно лишь разогреть его до температуры выше 1043 К — она называется температурой Кюри (в честь Пьера Кюри). Это все равно что положить все атомы железа в блендер и нарушить всякий порядок ориентации, только средствами термодинамики. Вначале налицо была явная асимметрия — у магнита есть северный и южный полюс, — однако симметрию удалось восстановить простым нагревом.

Как остывает железо

По мере остывания железного бруска, при условии, что остывает он достаточно медленно, атомы снова ориентируются параллельно друг другу — и кусок железа снова превращается в большой магнит. В каком направлении они встанут, никто не знает. Разумеется, можно нарушить симметрию и вручную, если просто поместить железо во внешнее магнитное поле, и тогда все атомы выстроятся именно так, как требуется.

Это (предположительно) справедливо и для законов физики в целом. Первые 10^–36 секунд существования вселенной были золотым веком для любого физика. Все было так раскалено, что симметрии были очевидны. Правда, при этом, разумеется, все было так раскалено, что даже наши протоны выкипели бы на отельные кварки, но на что не пойдешь ради науки!

Жизнь при низкой температуре

Вся эта книга — о том, какой симметричной должна быть вселенная, однако при всем при том наш, человеческий мир на вид не очень-то симметричный. Мы живем не в рисунке Эшера.

Приведу простой, приземленный пример: в нашем мире есть верх и низ, и различить их очень просто, достаточно лишь взглянуть, как падает яблоко, или налить воды в кастрюлю.

Химик мог бы рассмотреть взаимодействия между молекулами воды и решить, что как ни повернешь капельку воды, взаимодействия останутся прежними. Однако в обычных условиях жизни на Земле все не так. Отдельные капельки воды в кастрюле могут двигаться вправо и влево, если захотят, однако поверхность воды становится для них практически непреодолимой преградой и ярким свидетельством того, что по крайней мере для воды три измерения пространства совершенно точно не симметричны друг другу.

Но стоит взять эту кастрюлю с водой и поставить на плиту, начинаются странности. Поднимайте температуру все выше и выше — и вода закипит и превратится в пар. Тут почему-то гравитация играет уже не такую значительную роль. На первый план выходит подлинная симметрия взаимодействия молекул воды. Теперь они могут более или менее одинаково двигаться по всем трем направлениям.

Все это справедливо для всех фундаментальных взаимодействий в природе.

При очень низких температурах — а низкими в таком контексте называются температуры в сотни миллионов градусов — взаимодействия очень сильно отличаются друг от друга. Но если поднять температуру гораздо выше — или, что то же самое, повернуть часы вселенной вспять и углубиться все дальше и дальше в прошлое, к первым мгновениям ее существования — как начинают проявляться скрытые симметрии.

Как же проявляются эти симметрии, чем похожи друг на друга взаимодействия? Модель, получившая довольно-таки скромное название «электрослабая», описывает сочетание электромагнетизма и слабого взаимодействия, однако если попытаться добавить в нее остальные взаимодействия, придется изменить привычной сдержанности и прибегнуть к более выспренному слогу. Теории Великого объединения описывают сочетание сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия. Если пойти еще дальше, можно выдвинуть Теорию Всего[111], прибавив сюда еще и гравитацию.

Прежде чем углубиться в дебри серьезных теорий, основанных на сложных симметриях, полезно будет ненадолго отойти в сторонку и задаться вопросом, почему, собственно, мы вправе предполагать, что разные взаимодействия — это на самом деле одно и то же, если отбросить соображения эстетики.

Рассмотрим одинокий электрон в космическом вакууме. Вокруг него то возникают, то исчезают многочисленные пары частиц-античастиц. Эти виртуальные пары действуют как рябь на поверхности океана.

Хотя каждая отдельная «рябинка» живет всего мгновение, в каждый момент их очень много. Несмотря на краткость их существования в нашем мире, виртуальные позитроны притягиваются к реальному электрону, отчасти уменьшая его электрическое поле, а виртуальные электроны отталкиваются.

Представьте это себе в виде налога на продажи. Я знаю, что гамбургер за доллар должен стоить именно доллар, и так его и рекламируют, однако в Филадельфии ваш макмаффин будет стоить на самом деле 1 доллар 7 центов. Так вот, эта цена и должна вас интересовать, ведь столько вы и заплатите. В этом же смысле мы на самом деле не знаем (да нас это и не интересует), каков «беспримесный» заряд электрона — та величина, которую мы получим, если каким-то образом исключим воздействие всех виртуальных частиц.

Экранирующий эффект виртуальных частиц похож больше на купон, чем на налог (скорее снижает, чем добавляет), однако суть та же. Заряд электрона, который мы знаем и любим и значение которого можем посмотреть в справочнике, — это не настоящая цена на ценнике. Электрический заряд, который вы наблюдаете, меньше «беспримесного» заряда, который мы бы наблюдали, если бы сумели каким-то образом подойти к электрону произвольно близко.

Экранирование электрона

Разница между наблюдаемым и беспримесным зарядами помогает пролить свет на один из серьезных пробелов стандартной модели: почему у разных взаимодействий разная сила?

Если повышать энергию все больше — то есть если все ближе подбираться к беспримесному заряду, — начинаются странности. Электрическое взаимодействие становится сильнее, зато слабое взаимодействие слабеет. Экранирование работает в противоположную сторону. Вспомните, что слабое взаимодействие парадоксальным образом сильнее электромагнитного, а если со стороны все выглядит иначе, то лишь потому, что частицы W и Z так массивны. При достаточно высоких энергиях у этих взаимодействий будет совершенно одинаковая сила.

То же самое происходит и с сильным взаимодействием, только по другим причинам. Существует понятие асимптотической свободы, которое, помимо всего прочего, объясняет, почему во вселенной не наблюдаются отдельные кварки. В отличие от большинства сил, которые с увеличением расстояния слабеют, сильное взаимодействие становится все сильнее и сильнее. Если я попробую разобрать протон на составляющие его кварки и рассмотреть их по отдельности, вся энергия, которую я в это вложу, пойдет на создание новых частиц. Как ни странно, глюоны обладают в точности теми же качествами, что и Себастьян Шоу из «Людей Х». Если на них напасть, они станут лишь сильнее.

Сила взаимодействий

Существует определенный уровень энергии — примерно 10¹⁵ ГэВ — на котором силы всех взаимодействий пересекаются. Евклид показал, что две непараллельные прямые всегда пересекаются в какой-то точке. Однако три линии пересекаются лишь попарно. Очень странно и, надо сказать, довольно интересно, что все они, насколько мы можем судить, нашли одну общую точку пересечения.

К несчастью для нас, добиться таких энергий на нашем этапе технического прогресса нечего и мечтать. Нам потребовалось бы примерно в триллион раз больше энергии, чем в самом мощном на данный момент ускорителе — Большом адронном коллайдере. Чтобы воссоздать энергии ранней вселенной, нам понадобилось бы построить ускоритель размером примерно с Солнечную систему.

Первые теории объединения

Поиск глубинных симметрий и попытки объединения теорий — явление отнюдь не новое и восходит как минимум к Фалесу Милетскому, который жил две с половиной тысячи лет назад, а на самом деле, скорее всего, и к более древним временам. Вот что писал о первых «теориях всего» Фрэнсис Бэкон:

Фалес утверждал, что первоначало всего — вода… что воздух — это всего-навсего испарение и расширение воды — и, более того, что даже сам огонь невозможно ни разжечь, ни поддерживать и питать иначе как влагой и посредством влаги. Кроме того, он полагал, что набухание, которое свойственно влаге и поддерживает жизнь огня и пламени, судя по всему, своего рода продукт созревания воды.

Вселенная состоит не из воды. И не из земли, ветра или огня — эту идею выдвинул Гераклит. С другой стороны, поскольку все состоит из энергии, можно возразить, что Гераклит почти угадал — если вам угодно приравнять огонь к энергии — и тогда Теория Всего отчасти его заслуга.

Перескочим на несколько тысяч лет вперед. К тому времени, как на сцену вышел Эйнштейн, были известны лишь два взаимодействия — гравитация и электромагнетизм, — а Эйнштейн хотел всего-навсего объединить их в одну теорию. И он был не одинок.

Всего через три года после того, как Эйнштейн опубликовал окончательный вариант общей теории относительности, математик по имени Теодор Калуца разработал новый подход к взаимоотношениям между гравитацией и электромагнетизмом. Подход Калуцы, который дополнил и усовершенствовал Оскар Клейн в 1926 году, состоял в том, чтобы переписать уравнения общей теории относительности для пяти измерений (почему бы и нет?). При этом Калуцу и Клейна поджидал сюрприз: новые уравнения описывали общую теорию относительности во вселенной с тремя пространственными измерениями, и при этом из них прекрасно выводились уравнения электромагнетизма Максвелла.

Калуца и Клейн попытались объединить электромагнетизм и гравитацию, выдвинув гипотезу, что электромагнетизм прячется в свернувшемся измерении. Это отнюдь не бред, как может показаться на первый взгляд, просто для того, чтобы разобраться, что к чему, нужна определенная умственная сноровка.

Я тут много говорил об идее внутренних симметрий. Внутренние симметрии — это, в сущности, такие бухгалтерские программы, позволяющие выявить числа, которые невозможно непосредственно измерить и которые исчезают при вычислениях. Одна из внутренних симметрий — фазовая симметрия, обладающая, однако, совершенно уникальными свойствами. Если изменить фазу на 360 градусов, все останется по-прежнему. Это и есть определяющее свойство окружности.

Главная идея теории Калуцы-Клейна состоит в том, что симметрия, которую мы считали внутренней, это на самом деле внешняя симметрия — симметрия пространства-времени, в котором мы обитаем. Четвертое измерение пространства — это измерение Пак-Мана, где вечно петляешь и оказываешься там, откуда вышел.

Учитывая тогдашний уровень познаний о физическом мире, это был смелый подход. У него был только один недостаток — зато вопиющий: во вселенной, где мы живем, пространственных измерений не четыре, и в этом нам крупно повезло, в чем мы и убедились в Главе 4. Так может получиться — даже приблизительно — только в том случае, если четвертое пространственное измерение очень-очень мало, несравнимо меньше даже ядра атома.

В последние несколько десятилетий интерес к этой идее вспыхнул с новой силой. Скрытые измерения — кровь и плоть теории струн, в нынешних версиях которой пространственных измерений насчитывается уже десять плюс одно временное.

Теория Калуцы-Клейна в конечном итоге оказалась несостоятельной по целому ряду причин, однако самая очевидная из них заключается в том, что законы физики не ограничиваются только гравитацией и электромагнетизмом. Кроме того, в теории нет места ни квантовой механике, ни фотонам и гравитонам.

Нынешние поиски теорий Великого объединения — в каком-то смысле шаг назад от первых попыток их сформулировать. Гравитация в них вообще не входит. Главная их цель — объединить сильное и электрослабое взаимодействия.

Пока что особых успехов на этом поприще мы не добились. Однако никто не запрещает нам размышлять, какова могла бы быть теория Великого объединения, а главное — какие выводы мы сделали бы из нее.

Когда все было одинаковое

Каждое фундаментальное взаимодействие реагирует на свою разновидность заряда. Это электрический заряд, цвет (для сильного взаимодействия), слабый изоспин и гиперзаряд (для слабого взаимодействия) и масса (для гравитации). Однако не у всякой частицы есть полный набор зарядов. Например, у лептонов нет цвета. У праворуких частиц и леворуких античастиц нет слабого изоспина. У фотонов нет ни массы, ни заряда.

Если мы всерьез хотим разобраться, как именно все взаимосвязано, нужно найти хорошее объяснение тому, почему все эти частицы и взаимодействия в наши дни настолько различаются и как могло получиться, что когда-то они были так похожи.

Первые теории Великого объединения были выдвинуты в начале 1970 годов, вскоре после того, как стандартная модель окончательно оформилась в ее сегодняшнем виде. Одну из первых — и самую известную — предложил Ховард Джорджи в 1973 году, и она получила жутковатое название SO (10).

Это название — всего-навсего очередной пример математической стенографии из области теории групп. Суть теории состоит в то, что все частицы стандартной модели — это не более чем аспекты одной метачастицы. Несмотря на 10 в названии, метачастица из теории SO (10) способна принимать одну из шестнадцати различных форм. После чего, если разобраться в подробностях, остается сущий пустяк — все сосчитать, — и получится, что в стандартной модели и в самом деле ровно шестнадцать разных частиц.

Верхние и нижние кварки могут быть одного из трех цветов, так что в каждом поколении получается шесть разных кварков. Еще у нас есть электрон и нейтрино. Поскольку они бывают только одного цвета (наверное, бежевого), нам придется добавить к общей сумме два — получается восемь частиц. Теперь уточняем, что частицы бывают либо праворукие, либо леворукие (два варианта), и получаем шестнадцать различных состояний. Вуаля!

У этой теории есть несколько выдающихся достоинств — впрочем, должен отметить, что они есть у любой хорошей теории Великого объединения. Поскольку теория SO (10) представляет лептоны и кварки просто как разные аспекты одной и той же частицы, мы мгновенно получаем объяснение, почему у каждой частицы одинаковое количество поколений (правда, по-прежнему неясно, почему их три). Кроме того, теория объясняет, откуда у частиц те или иные заряды, в том числе и странные 2/3 у верхнего кварка и — 1/3 у нижнего кварка.

Успехи успехами, но без проблем тоже не обходится. Слабое взаимодействие — леворукое, а поскольку нейтрино создаются только при слабом взаимодействии, праворуких нейтрино не бывает. Это означает, что во всамделишной вселенной на поколение приходится всего пятнадцать частиц, а не шестнадцать, как обещали. В результате теории приходится заниматься сложной математической гимнастикой — утверждать, что праворукое нейтрино существует, но оно так массивно, что его никогда не удастся зарегистрировать.

Теория SO (10), как и множество прочих теорий Великого объединения, прогнозирует, что помимо частиц-переносчиков взаимодействий, которые мы знаем и любим, есть еще группа частиц под названием Х и Y. Эти частицы дают лептонам возможность превращаться в кварки и наоборот. Это очень важно, поскольку без Х— частиц непонятно, откуда у нас столько протонов и нейтронов (помните Главу 1?).

Более того, если у нас не будет способа превращать кварки в лептоны и наоборот, протоны станут буквально бессмертными. Протоны уникальны тем, что это самые легкие барионы — это общее название для всего, что состоит из кварков. Так что если избавиться от кварков невозможно, то протонам как самым легким барионам не во что распадаться.

Однако в рамках теории Великого объединения лептоны и кварки — это просто разные аспекты одной метачастицы, так что при очень высоких энергиях (или с очень низкой вероятностью) кварки могут спонтанно превращаться в электроны и наоборот. В результате общее число барионов может и не сохраняться — и тогда протоны будут жить не вечно. Может статься, это очень хороший способ проверить вашу любимую теорию Великого объединения.

Например, есть (или была) другая очень популярная теория Великого объединения — SU (5)[112]. Она тесна связана с SO (10) математически и во многих отношениях гораздо проще. При прочих равных условиях мы должны предпочитать простую модель сложной — так велит бритва Оккама. В своей статье об этой гипотезе Джорджи и Шелдон Глэшоу писали:

Возможно, гипотеза наша ошибочна, а рассуждения пусты, однако уникальность и простота нашей схемы сами по себе достаточная причина воспринимать ее всерьез.

С другой стороны, SU (5) предсказывает распад протона с периодом примерно в 10³⁰ лет, что на первый взгляд как-то очень уж много; однако вспомним, что если собрать много-много протонов в одном месте, мы сможем увидеть, распадется ли какой-нибудь из них с таким периодом полураспада. И наши нынешние оценки этого периода более чем в 10 000 раз выше, поэтому SU (5) мы забраковали.

На этом, разумеется, история не кончается. Теории Великого объединения прямо-таки кишмя кишат, и некоторые из них предсказывают большое число массивных частиц, которые мы, однако, не наблюдаем. Некоторые предполагают, что у лептонов есть четвертый цвет помимо красного, синего и зеленого цвета кварков. Самые надежные экспериментальные доказательства мы получим, либо когда увидим распад протона, либо когда зарегистрируем частицу темного вещества. А пока ничто не мешает нам и дальше предаваться досужим домыслам.

Исключительно простая Теория Всего

Хотя у нас пока нет даже общепринятой теории Великого объединения, некоторые ученые очень хотят срезать напрямик и выдвигают сразу Теорию Всего, которая вместе с остальными тремя взаимодействиями охватывает и гравитацию.

Физик Гаррет Лиси — сам по себе фигура колоритная. Он не работает ни в каких академических учреждениях, а время свое в основном проводит катаясь на серфинге на Гавайях, а зимой — на сноуборде в Колорадо. Довольно долго у него не было даже крыши над головой — он жил в машине. Велик соблазн относиться к такому человеку без должного уважения, особенно если у тебя узковат кругозор, и тем удивительнее, что в 2007 году он выдвинул теорию, которая, по его словам, объясняет вообще все в физике. А еще удивительнее то, что хотя подтверждения теория не получила, красоты она необычайной.

Теория Лиcи основана на математической симметрии под названием Е⁸, которую сам ученый называет «Исключительно простой Теорией Всего». Само по себе ее название — это такая шутка (что дает наглядное представление о чувстве юмора у математиков). «Исключительно простой» эта теория названа не для того, чтобы вы почувствовали себя идиотом, если ее не поймете. На самом деле E⁸ — это одна из пяти особых «Исключительно простых симметрий», которые описал в конце XIX века математик Вильгельм Киллинг (ничего себе фамилия, кстати: она означает «убийство»).

Наглядное представление об этой теории отчасти дает рисунок на предыдущей странице. Каждая точка на нем — это частица, однако, как и на схеме, где изображена стандартная модель, два кварка с разными цветами и спинами отражены на схеме двумя разными точками.

Я не требую, чтобы вы пересчитали все возможные варианты частиц в стандартной модели и на схеме Е⁸, но если бы вы решили это сделать, то пришли бы к выводу, что здесь недостает 22 частиц и что на месте этих пробелов должны быть частицы, которых мы еще не видели.

В частности, Е⁸ интересна еще и тем, что охватывает не только сильное взаимодействие, но и гравитацию. В результате масса, которая играет для гравитации роль заряда, включена в нее как отдельная точка для каждого из трех поколений.

Сам Лиси считает, что его теория еще в процессе разработки, и я должен отметить — чтобы исключить недоразумения, — что даже если Теория Всего охватывает гравитацию, это не то же самое, что квантовая теория гравитации. Иначе говоря, даже в самом лучшем случае Е⁸ не поможет разобраться в сильных гравитационных полях.

Физическое сообщество отнеслось к Е⁸ крайне скептически. Во-первых, эта модель не предсказывает массы частиц второго и третьего поколения, даже если вручную ввести в нее массы частиц первого поколения (тех частиц, с которыми мы знакомы лучше всего). Во-вторых, теория Е⁸ весьма бесцеремонно соединяет фермионы и бозоны в одну метачастицу. А это не пустяки. Помните, что для того, чтобы фермион выглядел по-прежнему, вам придется повернуть его дважды, а большинство бозонов будут выглядеть как раньше уже после одного поворота. Так что объединить их в одну частицу — задача не такая уж тривиальная, поскольку это нарушение симметрии.

При всем при том, отношения между фермионами и бозонами еще могут натолкнуть нас на важные шаги к пониманию симметрии во вселенной.

Суперсимметрия

Итак, у нас есть кучка частиц под названием фермионы и кучка других частиц под названием бозоны, и когда нужна сила, они взаимодействуют друг с другом, после чего считают свою задачу выполненной. С организационной точки зрения представляется, что они совсем разные. Фермионы строятся в аккуратные шеренги и колонны, а бозоны шныряют где попало — следствие той случайной симметрии, которая их породила.

Однако их взаимодействия бывают неожиданными.

Возьмем, к примеру, то, как устроена жизнь бозона Хиггса. С одной стороны, бозон Хиггса придает массу прочим частицам; с другой — прочие частицы должны также составлять массу самого бозона Хиггса. Как и в случае поля Хиггса, все сводится к тому, как одно поле взаимодействует с другим. Поскольку взаимодействие — это просто еще один синоним слова «энергия», а энергия и масса взаимозаменяемы, то масса бозона Хиггса, которую мы намеряли в Большом адронном коллайдере, не обязательно та настоящая масса, которую мы получили бы, если бы сумели отсечь все взаимодействия.

Все это точный аналог вышеописанной истории с экранирующим эффектом и беспримесным зарядом электрона. Бывает так, что видишь одно, а получаешь другое. Причем поправка к массе бозона Хиггса должна быть огромная, в целом порядка планковской массы. В Большом адронном коллайдере намеряли массу бозона Хиггса примерно в 200 квадрильонов раз меньше планковской. Тот факт, что эта масса так мала, однако не равна нулю, никак нельзя считать случайностью. Это означает, что подлинная масса бозона Хиггса должна быть необычайно тонко подстроена так, чтобы поправка и чистая масса почти, но не совсем, уравновешивали друг друга — примерно с точностью 1/10¹⁷.

Шансы, что нечто подобное происходит в природе чисто случайно, до смешного малы.

Я привел вам поправку массы только для электронов и позитронов, однако существует множество других разновидностей частиц. И все они наверняка взаимодействуют с частицей Хиггса и тоже обеспечивают поправку к массе.

Во всем этом есть одна жутковатая подробность. Как мы уже видели, если подменить частицу другой такой же, фермионы связаны с — 1, а бозоны с +1. Сейчас эти плюс и минус единица снова нам пригодятся, просто на сей раз у них будет несколько иная роль. Для каждого вида фермионов мы вычитаем что-то из чистой массы, чтобы получить наблюдаемую массу — вот почему я прибег к вычитанию, когда говорил об электронах, — а для бозонов прибавляем что-то к наблюдаемой массе. Разве не было бы замечательно (это только отчасти риторический вопрос), если бы типов фермионов и бозонов было поровну?

В самом лучшем случае они могли бы в точности взаимоуничтожиться.

На самом деле нам все равно, какова чистая масса частиц — в точности так же, как нам все равно, каков беспримесный электрический заряд. Просто жутко бесит, что поправки такие точные. Однако всегда можно воткнуть голову в песок, если хочется.

Ричарду Фейнману это обстоятельство тоже не нравилось (и при этом он был вынужден опираться на него).

Игра в наперстки, которой мы предаемся… строго говоря, называется перенормировкой. Но при всей учености этого слова сам процесс, по-моему, — сущее сумасшествие! Из-за того, что мы вынуждены прибегать к подобным трюкам, нам не удается доказать, что теория квантовой электродинамики математически самодостаточна. Удивительно, что самодостаточность этой теории до сих пор не удалось доказать так или иначе; подозреваю, что перенормировка математически нелегитимна.

Когда химики экспериментируют с молекулами, то почти всегда игнорируют атомную природу вещества. Когда физики-атомщики работают с атомами, то почти всегда пренебрегают взаимодействием кварков. Тут легко представить себе психолога, который не обращает внимания на тонкости биохимических реакций в мозге. И хотя, конечно, правда, что достаточно полное знание о мозге может сказать нам что-то полезное о поведении, непохоже, чтобы психолог не был способен делать верные выводы безо всех этих мелких подробностей.

Измерить чистую массу бозона Хиггса мы не можем, однако все же странно, что его измеряемая масса оказалась настолько мала, что мы можем ее зарегистрировать. Как же получается, что экранировка оказывается такой точной? А ведь подобная тонкая настройка встречается в физике то и дело. Для такого идеального соответствия должна быть какая-то причина получше, чем «так уж вышло».

В число самых удачных попыток все объяснить входит так называемая суперсимметрия (для друзей — просто Сьюзи, SUSY). Теории великого объединения объединяют все фермионы (частицы вещества) в одну частицу, а бозоны, в сущности, в одну силу, однако суперсимметрия идет еще дальше. С точки зрения суперсимметрии даже бозоны и фермионы — всего лишь две стороны одной медали. У каждого бозона должен быть свой фермион и наоборот. Это сложнее, чем кажется на первый взгляд, как мы уже видели, когда рассказывали про теорию E₈. Ведь на самом деле фермионы и бозоны совсем разные.

Мало того: по крайней мере в стандартной модели фермионов и бозонов не поровну. Если учесть все сочетания спина и цвета, существует 28 разных бозонов и 90 фермионов. Ничего страшного. Самый простой выход из положения — придумать побольше гипотетических частиц. У каждой частицы должен быть партнер противоположного типа. Электрон — это фермион. По другую сторону находится бозон под названием селектрон. Фотон — это бозон. Его партнер-фермион называется фотино, и т. д.[113].

Я отдаю себе отчет в том, что идея «взять и придумать кучу новых частиц» представляется (1) слишком простой — до нее вполне можно додуматься безо всякого научного образования — и (2) совершенно идиотской: поневоле засомневаешься, приведет ли она к каким бы то ни было достижениям. Однако прислушайтесь к моим словам. Во-первых, решения из соображений симметрии — в данном случае симметрии между фермионами и бозонами — играют в физике очень важную роль. Например, суть слабого и электромагнитного взаимодействия стала нам ясна только благодаря тому, что мы предположили, что электрон и нейтрино (так же, как и верхний и нижний кварки) — это на самом деле разные аспекты одной и той же фундаментальной частицы. Именно эта симметрия в конечном итоге и легла в основу нашего понимания поля Хиггса.

Но если у каждой частицы есть партнер, не странно ли, что мы их ни разу не видели?

Возможно.

У всех суперсимметричных моделей есть общая черта: суперсимметричные партнеры частиц должны быть в сотни, а то и в тысячи раз крупнее знакомых нам «оригиналов». Между тем, как вам уже известно, очень массивные частицы живут недолго.

Не исключено, что существует целый класс состояния частиц под названием «нейтралино», электрически нейтральных, как вы, должно быть, и сами догадались. А следовательно, даже если нам удастся создать их в ускорителе, зарегистрировать их непосредственно будет очень и очень трудно. В сущности, нам пришлось бы высматривать пары «электрон-позитрон» и «мюон-антимюон» с огромным количеством недостающей энергии. И недостающая энергия и означала бы, что из детектора частиц, словно тать в нощи, ускользнуло нейтралино.

Должен предупредить, что результаты первых экспериментов на Большом адронном коллайдере, как и других экспериментов, призванных прямо зарегистрировать суперсимметричные частицы, не кажутся многообещающими. Различных моделей суперсимметрии насчитывается немало, однако многие из них оказываются в рамках так называемой Минимальной суперсимметричной стандартной модели (МССМ), большинство версий которой предполагают, что если бы суперсимметрия существовала, мы бы ее уже обнаружили. Мы еще не успели обследовать лишь очень небольшой диапазон масс, где могут прятаться суперсимметричные частицы, хотя, по правде говоря, частицы вечно прячутся там, где их никак не ожидаешь обнаружить. Примерно так же было у нас с бозоном Хиггса.

Будет очень жалко, если окажется, что гипотеза о суперсимметрии неверна, потому что она могла бы подсказать нам решения множества серьезных задач. Например, самая легкая суперсимметричная частица-партнер (вероятно, самое легкое нейтралино) все равно должна быть довольно массивной, но при этом сохранять способность незаметно влетать в ускорители и вылетать из них.

Гм. Весьма многочисленные и массивные частицы, остающиеся стабильными, поскольку им не на что распадаться? Очень похоже на темное вещество. Вот бы суперсимметрия и вправду существовала!

Если вы еще не догадались, отмечу, что лично я всей душой надеюсь, что суперсимметрия себя оправдает, однако та часть моего мозга, которая осведомлена о результатах экспериментов, предупреждает, что рассчитывать тут особенно не на что.

Даже если суперсимметрия — это реальность нашей вселенной, она наверняка нарушается, по крайней мере чуть-чуть. Если бы она сохранялась идеальной, все партнеры обладали бы той же массой, что и оригиналы. А если бы это было так, мы бы давным-давно их обнаружили.

И последнее. Суперсимметрию часто связывают с теорией струн, в частности, говорят о суперструнах, по той простой причине, что теория струн со своей кучей дополнительных измерений требует суперсимметрии как части модели. Обратное неверно. Суперсимметрия вполне может существовать и вне теории струн.

За пределами симметрии

Представьте себе бесконечные ряды совершенно одинаковых вертящихся волчков.

Волчки и нарушение симметрии

Разумеется, рано или поздно один из волчков накренится в сторону соседа. Какой это будет волчок и в какую сторону он наклонится, определяется только случаем, однако стоит волчку наклониться, и симметрия нарушится навсегда. Более того, когда волчки падают, то порядок и направление их падений гораздо сложнее, чем можно было бы предположить исходя из простоты системы. Если у нас хватит терпения подхватывать волчки и снова их раскручивать, можно проигрывать этот сценарий снова и снова, и каждый раз волчки будут падать по-своему. Если мы просто представим себе, что рисунок падения волчков подобен эволюции физики на ранних стадиях существования вселенной, то почти что сможем исследовать разные области множественной вселенной.

Когда все начинается, волчки организованы симметрично, однако в конце среди них царит полный беспорядок. Вот и во вселенной то же самое.

Наш разговор о вселенной начался в мире абстракций — мы говорили о кругах, многогранниках и тому подобном. И не только потому, что можно было заодно нарисовать много красивых картинок: похоже, законы природы написаны симметрично. Но даже если все в природе начинается с симметрии, кончается все совсем иначе. Получается, что симметрия почему-то не может быть концом всего, так не бывает.

Все наши представления об устройстве вселенной основаны на взаимодействии между симметрией и случайностью, и, положа руку на сердце, мы еще не вполне разобрались, где кончается одно и начинается другое. Случайность, а по сути дела, хаос, зачастую становится характерной чертой отрицательного героя, а герой, стремящийся к порядку, то есть к симметрии, считается положительным. Это вопиющая несправедливость.

Хотя я не хочу показаться чересчур ранимым и обидчивым, в философских системах, которые охватывают и инь, и ян, есть зерно истины.

Законы вселенной симметричны, однако стоит нам ввести демона случайности, как результаты действия этих законов — та вселенная, которую мы наблюдаем вокруг, — скорее всего, вовсе не покажутся нам симметричными. Случайность — основа квантово-механической вселенной. Первоначальная конфигурация может быть одной и той же, но если проводить эксперимент снова и снова, результаты получатся разные — и иногда эти различия очень глубоки. Мы убеждались в этом раз за разом — от ухабистой структуры крупномасштабной вселенной до нарушения симметрии в поле Хиггса.

Случайность может завуалировать скрытую симметрию, но не стирает ее. В конце мы не знаем, насколько нарушения симметрии, определяющие законы природы в том виде, в каком мы их наблюдаем, определяются случайностью, зато знаем, что стоит этим законам (по-прежнему довольно-таки симметричным) вступить в действие, как случайность все больше и больше затуманивает наше представление о вселенной, в которой, не будь случайности, царил бы порядок. Именно случайность породила в свое время структуру — а вот расти, рушиться, формировать звезды и составлять сложные химические соединения (и, добавлю, жизнь) этой структуре в дальнейшем позволили симметричные законы гравитации. Именно случайность управляет радиоактивностью, термоядерным синтезом в Солнце и, скорее всего, нейронами в нашем мозге.

В конечном итоге нарушение симметрии — тот самый факт, что вселенная в зеркале заднего вида выглядит не так, как наша, — и породило вселенную, в которой стоит жить просто потому, что она такая интересная.

Протон — верхний+верхний+нижний

Нейтрон — верхний+нижний+нижний

Нейтральный пион — верхний+анти-верхний или нижний+анти-нижний

Нейтральный каон — нижний+анти-странный или странный+анти-нижний

Нижеприведенный список далеко не полон, однако им удобно пользоваться как справочным пособием при чтении этой книги, а также просто в обыденной жизни, если вам когда-нибудь захочется сделать симметрии темой светской беседы.

Первая теорема Нётер. Каждой непрерывной симметрии соответствует сохраняющаяся величина.

Дискретные симметрии в физике

С-симметрия, она же Зарядовое сопряжение, состоит в том, что физические законы применимы к античастицам точно так же, как и к соответствующим обычным частицам. Эта симметрия справедлива для всех взаимодействий, кроме слабого.

Р-симметрия, она же Пространственная четность, — все законы физики действуют точно так же, если смотреть на происходящее в зеркало. Опять же не относится к слабому взаимодействию.

Т-симметрия, она же Обращение времени, — при обращении течения времени законы физики выглядят по-прежнему. И эта симметрия тоже нарушается при слабом взаимодействии.

СР-симметрия, или Комбинированная четность, — сочетание С— и Р-симметрий. Она тоже нарушается при слабом взаимодействии — и это большая удача, поскольку без нарушения СР-симметрии во вселенной не было бы избытка вещества.

СРТ-симметрия — сочетание С-, Р— и Т-симметрий в любом порядке. Насколько мы можем судить, в нашей вселенной эта симметрия соблюдается строго.

Симметрия замещения тождественных частиц — все измеримые количества в системе останутся неизменными, если заменить одну частицу другой того же типа и в том же состоянии. Сложность в том, что если поменять местами два фермиона, волновая функция умножится на — 1, однако впрямую это зарегистрировать невозможно.

Непрерывные симметрии в физике

Симметрия трансляции времени (инвариантность времени). Все законы физики ведут себя одинаково в разные моменты времени. По теореме Нётер из этого следует закон сохранения энергии.

Трансляционная симметрия (инвариантность пространства). Законы физики совершенно одинаковы в любом месте во вселенной. На крупных масштабах это отражается в однородности вселенной и в космологическом принципе. По теореме Нётер из этого следует закон сохранения импульса.

Вращательная симметрия (инвариантность вращения). Законы физики не меняются, если повернуть систему в целом. На крупных масштабах это отражается в изотропии вселенной, а кроме того, входит в систему предположений, на которых основан космологический принцип. Это приводит к сохранению момента импульса.

Лоренц-инвариантность. Законы физики одинаково справедливы для любого наблюдателя, который движется равномерно и прямолинейно. Кроме того, это основа специальной теории относительности.

Слабый принцип эквивалентности. Частицы в состоянии свободного падения локально неотличимы от инерциальных систем отсчета. Это основа общей теории относительности.

Калибровочные симметрии (со страшными математическими названиями)

Фазовая симметрия, она же U (1). Фаза поля может меняться, и при этом никаких измеримых последствий наблюдаться не будет.

Симметрия электронов-нейтрино, она же SU (2) L. Слабое взаимодействие происходит совершенно так же, если заменить все нейтрино электронами и наоборот, если все они леворукие.

Симметрия цвета, она же SU (3). Сильное взаимодействие ведет себя совершенно одинаково с зелеными, синими и красными кварками. Если подменить один цвет другим (главное — проявить последовательность), и взаимодействие окажется прежним.

SU (5). Одна из первых и самых испытанных теорий Великого объединения. Она предсказывает существование дополнительных частиц, что приводит к распаду протонов. Измеренное время жизни протона противоречит ей, поэтому от нее пришлось отказаться.

SO (10). Популярная в наши дни теория Великого объединения, которая предсказывает долгий срок жизни протонов, а также очень массивное праворукое нейтрино.

E₈. Спекулятивная Теория Всего, которая претендует на объяснение масс разных поколений частиц и количества этих поколений (три), а заодно и гравитации.