Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира Кэрролл Шон

Мы предпологаем, что все во Вселенной построено из полей – силовых полей, которые притягивают и отталкивают, и полей вещества, из колебаний которых образуются частицы.

Хип-хоп-дуэт Insane Clown Posse, известный своими провокативными текстами и страшным клоунским гримом, в 2010 году выпустил скандальный сингл «Чудеса». К тому времени Вайолент Джи и Шэгги-2 Доуп (сценические псевдонимы музыкантов) уже привыкли к скандалам. В частности, однажды они ввязались в распрю с известным рэпером Эминемом, позже неудачно поработали в качестве профессиональных борцов, а на одном из концертов совершенно шокировали почтенную публику и лишь потом обнаружили, что выступали совсем не там, где думали. Insane Clown Posse поют о некрофилии и каннибализме, в одной песне позволили себе обидеть Санта-Клауса, а как-то после представления Вайолента Джи даже арестовали – он 30 раз ударил одного из зрителей микрофоном.

Но скандальные «Чудеса» – это нечто иное. На сей раз ребята своими песнями хотели не шокировать, а обратить внимание своих поклонников на красоту окружающего нас мира. Это звучало примерно так:

В Интернете этот небольшой отрывок приобрел довольно широкую известность, особенно среди блогеров, имеющих отношение к науке, – они-то были уверены, что, напротив, имеют довольно хорошее представление о том, как работают магниты.

Я хотел бы сказать несколько слов в защиту Insane Clown Posse. Да, мы уже довольно давно узнали, что такое магнетизм, и занялись его изучением, а обычно в результате научных исследований наше понимание природных явлений углубляется, и все меньше места остается для магии и чудес. Однако музыканты нащупали чувствительную точку, и мы действительно упустили нечто очень важное и не заметили, что магниты – на самом деле довольно странная штука.

В магнитах удивительно не то, что они притягивают металл – множество предметов прилипает ко многим другим предметам, например гекконы и жевательная резинка – к стенке. Удивляет в магните то, что когда вы подносите его близко к куску металла, то можете почувствовать это притяжение еще до того, как они соприкоснутся. Магниты не похожи на скотч или клей, которые, чтобы прилипнуть к чему-то, должны находиться в контакте с этим чем-то. Магниты словно чувствуют присутствие предметов, удаленных от них в пространстве, и тянут их к себе. Подумайте – все это довольно странно.

Физики называют такого рода явление «действием на расстоянии», и оно вызывает недоумение не только у Вайолента Дж. и Шэгги 2 Доупа, но и у величайших умов мира. В последнее время нас это стало удивлять меньше, поскольку мы поняли, что пространство, через которое магнит дотягивается до металлических предметов, – на самом деле совсем не «пустое». Оно заполнено магнитным полем – невидимыми силовыми линиями, выходящими из магнита, которые готовы захватить любой восприимчивый к магнитному полю объект, встречающийся на их пути. Мы можем сделать эти силовые линии видимыми, если приложим магнит снизу к бумажке, на которую насыпаны железные опилки, и тогда они, выстроившись вдоль силовых линий, образуют красивые узоры.

Магнитное поле существует в пространстве независимо от того, притягивает магнит что-нибудь или нет. Если есть магнит, то есть и магнитное поле вокруг него, хотя мы и не можем его увидеть. Поле сильнее, когда мы приближаемся к магниту, и слабее – когда удаляемся. На самом деле магнитное поле есть абсолютно в каждой точке пространства, независимо от того, есть ли поблизости магниты. Поле может быть достаточно маленьким – или даже нулевым, – но в каждой точке значение магнитного поля измеримо. (Естественно, это не поле каждого отдельного магнита, а результирующее магнитное поле: поставьте два магнита рядом друг с другом, и их поля просто сложатся.)

Не уверен, что членам дуэта Insane Clown Posse это было интересно, но должен заметить, что важность полей далеко не исчерпывается магнитами. Мир действительно состоит из полей. Иногда вещество Вселенной в силу странности квантовой механики кажется образованным из частиц, но на самом деле по своей сущности частицы – те же поля. Пустое пространство, вакуум, не так пусто, как кажется. В каждой точке существует множество полей, каждое из которых принимает то или иное значение – или, точнее, из-за принципа неопределенности квантовой механики, целый набор возможных значений, которые мы в принципе могли бы наблюдать.

Говоря о физике элементарных частиц, мы обычно не акцентируем внимание на том, что на самом деле говорим о «физике полей». Но именно ее мы и имеем в виду. Цель этой главы – помочь вам привыкнуть к тому, что именно квантовые поля в теперешних научных представлениях являются основными строительными блоками мироздания.

Нельзя считать, что сами поля «сделаны из чего-то». Поля – это то, из чего состоит мир, и мы не знаем никакого более глубокого уровня реальности. (Может быть, теория струн откроет нам что-то новое, но пока еще она находится в ранге гипотезы.) Магнетизм переносится полем так же, как гравитация и ядерные силы. Даже то, что мы называем «веществом», сформировано из таких частиц, как электроны и протоны, а они на самом деле – просто колебания полей. Частица, которую мы называем бозоном Хиггса, очень важна, но важна не столько она, сколько поле Хиггса, из колебаний которого она образуется и которое играет центральную роль в устройстве нашей Вселенной. Удивительно, не правда ли?

В первых главах мы дали краткое описание частиц Стандартной модели и отметили, что все частицы возникают в виде колебаний соответствующих полей. В нескольких предыдущих главах мы рассмотрели ускорители (в том числе БАК) и детекторы, которые помогают нам исследовать субатомный мир. В этой и последующих главах мы собираемся вернуться немного назад и более пристально присмотреться к концепции полей, а также к тому, как частицы возникают из полей, как симметрия приводит к появлению сил и как поле Хиггса может нарушить симметрию и привести к тому разнообразию частиц, которое мы видим вокруг себя. И после этого у нас появится реальная возможность понять, как экспериментаторы охотятся на бозон Хиггса и что означает утверждение, что он нашелся.

Гравитационное поле

Сегодня общепринято: поля окружают нас везде, но для того, чтобы ученые начали думать в категориях «теории поля», потребовалось время. Вам может показаться, что понятие гравитационного поля еще более очевидно, чем понятие магнитного поля. Но это совершенно не очевидно.

Самая знаменитая история про гравитацию – это апокриф про Исаака Ньютона и яблоко, которое якобы упало ему на голову, вдохновив на открытие теории всемирного тяготения. (Эта история стала такой знаменитой в основном из-за того, что сам Ньютон не переставал ее пересказывать – видимо, ему хотелось добавить ярких красок в свою репутацию гения, хотя это было уже совершенно излишним.) Утверждалось, что яблоко помогло Ньютону «изобрести» или «открыть» гравитацию, но, если минуточку подумать, сразу понимаешь, что эти слова вообще-то не имеют никакого смысла. Люди знали о гравитации и до Ньютона – и, как правило, все замечали, что яблоки падают вниз, а не вверх.

Но только Ньютон осознал, что между падением яблока и движением планет существует связь. Он не изобрел гравитацию, но понял, что она универсальна: гравитационное притяжение, которое заставляет планеты вращаться вокруг Солнца, а Луну вокруг Земли – та же самая сила, которая притягивает яблоки к земле. Кто-то скажет, что это ньютоновское прозрение не заслуживает того, чтобы о нем складывались легенды. В конце концов, что-то удерживает планеты от того, чтобы улететь прочь в межзвездное пространств, и, с другой стороны, что-то заставляет яблоко падать на землю, так почему эти «что-то» не могут быть одним и тем же?

Если вы так думаете, то только потому, что живете в постньютоновском мире. Пока Ньютон не объяснил всего этого, люди не считали Землю ответственной за такое поведение яблока, а полагали, что оно само виновато в своем падении. Аристотель, например, считал, что различным видам материи присущи различные, но естественные состояния. Естественное состояние массивного тела – лежать на земле. Поднявшись же над землей, оно будет стремиться на нее упасть.

Представление о том, что падение объекта связано с природой объекта, а не с земным притяжением, на самом деле подсказывает нам интуиция. Я когда-то был научным консультантом высокобюджетного голливудского фильма, и режиссеры решили, что было бы здорово снять захватывающую сцену борьбы на планете, имеющей форму не сферы, а диска. Это было бы красиво, тут не поспоришь. Но операторы решили снять кульминационную сцену так, чтобы плохие парни падали с края планеты. Падать… но под действием чего? До сих пор многие люди думают, что падение – это естественное действие для объектов, а не следствие влияния на них силы притяжения каких-то крупных объектов. (Но нам удалось в фильме избежать такой ошибки.)

Итак, Ньютон предположил, что каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект во Вселенной. Более тяжелые объекты притягивают сильнее, чем более легкие, кроме того, чем ближе объект, тем он сильнее притягивается, чем дальше – тем слабее. Эти утверждения прекрасно соответствуют наблюдаемым данным и замечательно объединяют явления, происходящие на Земле и в небе.

Но теория тяготения Ньютона смущала многих. Как, например, Луна узнает о том, что Земля притягивает ее? В конце концов, Земля очень далеко, а мы привыкли к силам, которые ощущаются при соприкосновении с предметами, а не когда мы где-то далеко от них. Это загадочное явление – «действие на расстоянии» – беспокоило и Ньютона, и его критиков. Однако, если ваша теория великолепно объясняет множество разных явлений, вы в какой-то момент просто пожимаете плечами и говорите, что просто природа, по-видимому, устроена таким образом. Это в значительной степени похоже на сегодняшнюю ситуацию с квантовой механикой: она объясняет наблюдаемые явления, но мы считаем, что не понимаем ее достаточно глубоко.

И только в конце 1700-х годов французский физик Пьер-Симон Лаплас показал, что ньютоновская гравитация – отнюдь не магическое воздействие, передающееся на расстоянии. Лаплас описал гравитацию как поле, заполняющее все пространство. Позже это поле назвали «потенциальное гравитационное поле». Гравитационный потенциал искажается массивными телами по той же причине, по какой на температуру воздуха в помещении влияет горячая духовка: искажение тем сильнее, чем мы ближе к ней, и уменьшается, когда мы отходим от нее. Сила земного притяжения возникает, потому что объекты подталкиваются самим полем: они чувствуют, как их тянет в направлении, в котором потенциал гравитационного поля убывает, – подобно тому, как шар на неровной поверхности начинает катиться туда, где ближе к земле.

С точки зрения математики, теория Лапласа идентична теории Ньютона, однако концептуально она намного лучше согласуется с нашим интуитивным представлением о том, что вся физика, как и политика, является локальной. Но это не значит, что Земля просто устанавливает контакт с Луной и притягивает ее. Земля создает гравитационный потенциал вокруг себя, он влияет на потенциал поблизости, и так далее вплоть до Луны (и еще дальше). Гравитация – не магическая передача силы на бесконечные расстояния вроде телепатии. Она порождается плавными изменениями невидимого поля, пронизывающего все пространство.

Электромагнитное поле

Но впервые теория поля продемонстрировала свою эффективность при изучении не гравитации, а электромагнетизма. Заметим, что в действительности есть электрическое поле, а есть магнитное поле, но физики используют одно слово, электромагнетизм, говоря тем самым, что на самом деле это два разных проявления одного основного поля. Но связь между ними не всегда была такой очевидной, как сейчас.

Магнетизм был известен с древних времен – магнитные компасы изобрели более двух тысяч лет назад в Китае во времена династии Хань. И какие-то проявления электричества тоже были людям известны уже давно: например, можно получить удар током, притронувшись к угрю, а в янтаре, если его потереть тряпкой, возникает электростатический заряд. Были даже некоторые намеки на то, что эти явления как-то связаны. Бенджамин Франклин, например, в перерывах между запусками летающих змеев и борьбой за независимость Соединенных Штатов Америки продемонстрировал, что с помощью электричества можно намагнитить иголку.

Но все эти идеи по-настоящему собрались воедино только в 1820 году, когда датский физик Ганс Христиан Эрстед прочитал лекцию о природе электричества и магнетизма. Эрстед придумал остроумный способ, как продемонстрировать гипотетическую связь между ними. Он собрал электрическую цепь, пропустил через нее ток, установил рядом компас. Если его предположения верны, стрелка компаса должна была отклоняться из-за проходящего по цепи тока. К сожалению, стечение обстоятельств не позволило Эрстеду отрепетировать эксперимент до начала лекции, и он решил провести его прямо в аудитории перед собравшейся публикой, убежденный, что все должно получиться. И у него все получилось! Эрстед щелкнул выключателем, электрический ток потек по проводам, и собравшиеся в аудитории увидели явное, но очень небольшое дрожание стрелки компаса. Правда, по собственному признанию Эрстеда, эффект был очень небольшим и зрители ушли разочарованными. Но с того дня электричество и магнетизм слились в единое понятие – электромагнетизм.

Благодаря гениальным последователям Эрстеда Майклу Фарадею и Джеймсу Клерку Максвеллу была разработана сложнейшая теория электромагнитного поля. Вооружившись этой теорией, мы можем ответить на многие вопросы. Например, что произойдет, если мы возьмем электрический заряд и будем качать его вверх-вниз в вертикальном направлении? (Такой же вопрос можно было бы задать и о гравитационном поле, но гравитационная сила столь слаба, что будет очень трудно экспериментально проверить правильность ответа.)

Когда вы качаете заряд вверх-вниз, вполне понятно, что произойдет в результате этих манипуляций – возникнет рябь в электромагнитном поле. И эта рябь будет распространяться от заряда во все стороны в виде волн, так же, как когда вы уроните камень в воду, по воде от него пойдут круги. Один из видов электромагнитных волн нам хорошо знаком – это свет. Когда мы щелкаем выключателем и включаем лампу, электрический ток начинает течь через нить электрической лампы и нагревает ее. Тепло встряхивает атомы нити и связанные с ними электроны, заставляя их покачиваться туда-сюда. Это покачивание создает волны в электромагнитном поле, которые попадают в наши глаза и воспринимаются как свет.

Отождествление света с волнами электромагнитного поля является уже большим шагом вперед в нашем представлении о единстве физических явлений. Мы продвинулись еще дальше, когда поняли: то, что мы называем видимым светом, – всего лишь излучение определенных длин волны, тех, которые можно увидеть человеческим глазом. Более короткие волны – это ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи, более длинные волны – инфракрасный свет, микроволновое излучение и радиоволны. Работы Фарадея и Максвелла получили впечатляющее подтверждение в 1888 году, когда немецкий физик Генрих Герц впервые смог возбудить и зарегистрировать радиоволны.

Когда вы наводите пульт дистанционного управления на телевизор, это выглядит как передача воздействия на расстояние, но в действительности это не так. Вы нажимаете на кнопку, электрический ток начинает колебаться внутри электрического контура, спрятанного в пульте дистанционного управления, создавая радиоволну, которая распространяется, изменяя окружающее электромагнитное поле, к телевизору, и поглощается там похожим устройством. В современном мире электромагнитному полю вокруг нас приходится выполнять огромное количество дел – освещать наши жилища, посылать сигналы в наши сотовые телефоны и беспроводные компьютеры, греть еду в микроволновой печи. И все это делают движущиеся заряды, возбуждающие рябь в поле, распространяющемся наружу. Герц, кстати, такого совершенно не ожидал. Когда ученого спросили, как можно использовать его приемники радиоволн, он ответил: «Это абсолютно бессмысленная вещь». После настойчивых просьб предложить все-таки хоть какое-нибудь практическое применение радиоволн он ответил: «Я думаю, они никому не нужны». Об этом следует помнить, когда мы говорим о важности фундаментальных исследований.

Гравитационные волны

И только когда физики поняли взаимосвязь между электромагнетизмом и светом, они задались вопросом, не происходит ли то же самое с гравитационным полем. Это может показаться академическим вопросом, поскольку для создания настолько большого гравитационного поля, чтобы его можно было измерить, нам нужен объект размером с какую-нибудь планету или Луну. Мы не собираемся трясти Землю, чтобы возбудить волны, но найти такой объект во Вселенной – вообще-то не проблема. Наша галактика полна двойных звезд – систем, в которых две звезды вращаются друг вокруг друга, естественно, возбуждая при этом колебания гравитационного поля. Приводит ли это к распространению гравитационных волн?

Интересно, что гравитация в том виде, как ее описал Ньютон или Лаплас, не предполагает наличия какого-либо излучения. Теория говорит, что, когда планета или звезда движется, ее гравитационное притяжение изменяется мгновенно во всей Вселенной. То есть тут не распространяющаяся волна, а мгновенное преобразование всей Вселенной.

Это лишь один из пунктов, по которым ньютоновская гравитация, как оказалась, не слишком хорошо согласовывалась с меняющимися физическими концепциями XIX века. Электромагнетизм, и особенно ключевая роль скорости света, сыграли важную роль и вдохновили Альберта Эйнштейна и других ученых на создание теории относительности, что и было сделано в 1905 году. Согласно этой теории, ничто не может двигаться быстрее света – даже гипотетические колебания гравитационного поля. От чего-то нужно было отказаться. После десяти лет напряженной работы Эйнштейну удалось построить принципиально новую теорию гравитации, известную как общая теория относительности, которая полностью заменила теорию Ньютона.

Так же как и интерпретация Лапласа ньютоновской теории гравитации, общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию в терминах поля, которое определено в каждой точке пространства. Но поле Эйнштейна с точки зрения используемой математики гораздо сложнее, чем поле Лапласа, и может отпугнуть – вместо гравитационного потенциала, определяемого всего одним числом в каждой точке пространства, Эйнштейн использовал так называемый «метрический тензор», который можно определить в каждой точке совокупностью десяти независимых чисел. Эта математическая сложность укрепила репутацию общей теории относительности как теории, очень трудной для понимания. Но основная ее идея столь же проста, сколь и глубока: метрика описывает кривизну самого пространства-времени. Согласно Эйнштейну, гравитация является проявлением искривления и растяжения самой ткани пространства, способом измерения расстояний и отрезков времени во Вселенной. Когда мы говорим, что «гравитационное поле равно нулю», мы имеем в виду, что пространство-время гладкое, а геометрия Евклида, которую мы учили в школе, справедлива.

Одно радует: из общей теории относительности следует, что, как и в случае с электромагнитными волнами, рябь в гравитационном поле приводит к распространению гравитационных волн со скоростью света. И мы засекли их, хотя и не напрямую. В 1974 году Рассел Халс и Джозеф Тейлор обнаружили двойную систему, в которой оба объекта – нейтронные звезды, быстро вращающимися на очень близких орбитах. Общая теория относительности предсказывает, что такая система должна терять энергию, испуская гравитационные волны, и по мере сближения звезд это должно привести к постепенному уменьшению периода обращения. Халс и Тейлор смогли измерить это изменение периода, и оно оказалось в точности таким, как предсказывала теория Эйнштейна. В 1993 году за эту работу они были удостоены Нобелевской премии.

И все-таки это было косвенным измерением гравитационных волн. Мы, конечно, пытаемся увидеть их, и в настоящее время проводится ряд экспериментов по поискам гравитационных волн, приходящих от астрофизических источников. Как правило, в экспериментах стараются обнаружить изменение расстояний между зеркалами лазеров, отстоящими друг от друга на несколько километров. При прохождении гравитационной волны пространство-время должно то растягиваться, то сжиматься – и тогда и расстояние между зеркалами должно периодически изменяться. Этот крошечный эффект может быть обнаружен при измерении количества длин волн, умещающихся между двумя зеркалами, в зависимости от времени. В США эти эксперименты проводит Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватории (LIGO), включающая в себя две отдельные лаборатории – одна в штате Вашингтон, а другая в Луизиане. Они находятся в постоянном контакте с обсерваториями VIRGO в Италии и GEO 600 в Германии. Ни одна из этих лабораторий гравитационные волны пока не нашла, но ученые настроены оптимистически и надеются на недавно проделанную модернизацию оборудования. Если гравитационные волны все-таки будут обнаружены, мы получим прямое подтверждение тому, что гравитационное поле колеблется и испускает гравитационные волны.

Появление частиц из полей

Осознание того, что свет представляет собой электромагнитную волну, пришло в противоречие с ньютоновской теорией света, утверждавшей, что свет – это поток частиц, названных «корпускулами». Веские аргументы были у сторонников обеих теорий. С одной стороны, предметы на свету отбрасывают резкую тень – это понятно, если свет представляет собой поток частиц. К тому же из опыта со звуковыми волнами и волнами на поверхности мы знаем, что волны должны огибать препятствия, а свет этого не делает. С другой стороны, при прохождении через узкие отверстия свет может образовать интерференционную картину, как это делают все волны. Электромагнитная природа света, казалось, решила вопрос в пользу волн.

Концептуально поле (и, соответственно, волна) является противоположной частицам сущностью. Частица локализована в определенном месте в пространстве, в то время как поле существует везде, определяется в каждой точке величиной, равной некоторому конкретному числу, и, возможно, некоторыми другими характеристиками, например направлением. И только квантовая механика, которая появилась в 1900 году и определяла всю физику XX века, в конечном счете примирила две концепции. Кратко идею этого примирения можно сформулировать так: все состоит из полей, но если мы посмотрим на них повнимательнее, то увидим частицы.

Представьте, что вы ночью вышли на улицу. Очень темно, и свет исходит только от свечи, которую держит ваш друг, стоящий на некотором удалении. Если он будет удаляться от вас, то свет свечи будет тускнеть и в конце концов так ослабнет, что вы его вообще перестанете видеть. Вы решите, что скорее всего это связано с плохим зрением, а вот если бы ваши глаза были идеальными, вы увидели бы, как свет свечи постепенно тускнеет, но полностью никогда не исчезает.

На самом деле все происходит не так. Даже обладая идеальным зрением, вы не увидели бы постоянно тускнеющего света. Вначале, при удалении от свечи, ее свет действительно постепенно бы слабел, но в какой-то момент ситуация изменилась бы. Вместо того чтобы слабеть, свет свечи начал бы мерцать – включаться и выключаться, и это при том, что во включенном состоянии его яркость оставалась бы постоянной. По мере того как ваш друг уходил бы от вас все дальше, темные периоды удлинялись бы, а светлые – укорачивались, и в конце концов свеча почти всегда казалась бы темной, и только очень редко можно было бы увидеть слабые вспышки. Эти вспышки – отдельные частицы света – фотоны. Такой мысленный эксперимент описан в книге физика Дэвида Дойча «Структура реальности» (David Deutsch, The Fabric of Reality), где среди прочего отмечается, что у лягушек зрение лучше, чем у людей. Им повезло – они различают отдельные фотоны.

Идея фотонов впервые появилась в работах Макса Планка и Альберта Эйнштейна, выполненных ими на рубеже XIX–XX веков. Планк исследовал излучение, испускаемое объектами при нагревании. Проблема состояла в том, что экспериментальные результаты и теоретические, полученные в рамках волновой теории света, не совпадали. Согласно теории, интенсивность излучения с очень короткой длиной волны и, следовательно, с очень высокой энергией должна была быть намного больше, чем наблюдаемая в опыте. Планк предложил блестящее и несколько неожиданное решение: свет приходит в виде дискретных пакетов, или «квантов», а квант света с некоторой фиксированной длиной волны должен иметь фиксированную энергию. Требуется изрядное количество энергии, чтобы сформировать даже один квант коротковолнового света, поэтому теория Планка помогла объяснить, почему интенсивность коротковолнового излучения намного меньше, чем это следует из волновой теории.

Связь между энергией и длиной волны – ключевое понятие в квантовой механике и теории поля. Длина волны – это расстояние между двумя соседними гребнями волны. Когда она мала, гребни прижимаются ближе друг к другу. Чтобы добиться этого, нужно затратить энергию, так что понятно, почему световые пакеты с короткими длинами волн, как, например, у ультрафиолетового света или у рентгеновских лучей, обладают более высокой энергией. Если длина волны велика, как у радиоволн, отдельные кванты света имеют очень низкую энергию. После того как появилась квантовая механика, эта взаимосвязь между длиной волны и энергией была распространена и на массивные частицы. Большая масса подразумевает короткую длину волны, что означает, что частица занимает меньше места. Вот почему электроны, а не протоны или нейтроны, определяют размер атома: они самые легкие из всех частиц атома, поэтому имеют самую большую длину волны, и, следовательно, занимают больше всего места. В некотором смысле это даже объясняет, почему БАК должен быть таким большим. На ускорителе пытаются рассмотреть то, что происходит на очень малых расстояниях, а это значит, что нужно использовать очень маленькие длины волн, следовательно, нам нужны высокоэнергетичные частицы, то есть нам нужен гигантский ускоритель, чтобы заставить их летать как можно быстрее.

Планк не сумел сделать концептуальный скачок и перейти от метода квантования энергии к идее частиц света в буквальном смысле. Он считал введение квантов просто своего рода трюком, который помогает получить правильный ответ, а не фактом реальности. Этот скачок сделал Эйнштейн, который в то время ломал голову над загадочным явлением под названием «фотоэлектрический эффект». Когда вы освещаете металл ярким светом, вы можете выбить из его атомов электроны. Казалось бы, число таких освободившихся электронов зависит от интенсивности света, поскольку если луч света ярче, в металл вкачивается больше энергии. Но выяснилось, что это не совсем так: свет большой длины волны, даже очень яркий, не сумеет даже расшатать электроны, в то время как довольно слабый, зато коротковолновый свет способен вырвать некоторые электроны из атомов. Эйнштейн понял, что фотоэлектрический эффект можно объяснить, если считать, что свет распространяется не в виде непрерывной волны, а в виде отдельных квантов. И это справедливо не только для излучения светящегося нагретого тела. «Высокая интенсивность, но длинноволновое излучение» подразумевает море квантов, каждый из которых обладает слишком малой энергией, чтобы оторвать какие-либо электроны от атомов, а «низкая интенсивность, но короткие волны» означает всего несколько квантов, но в каждом достаточно энергии, чтобы освободить электрон.

Ни Планк, ни Эйнштейн не использовали слово «фотон». Оно было придумано Гилбертом Льюисом в 1920-х годах, а благодаря Артуру Комптону стало популярным. Именно Комптон окончательно убедил людей в том, что свет – это поток частиц, показав, что кванты света обладают и моментом, и энергией.

Статья Эйнштейна по фотоэффекту стала той самой работой, за которую он получил Нобелевскую премию. Она была опубликована в 1905 году, и в том же номере журнала появилась еще одна статья Эйнштейна, в которой он сформулировал специальную теорию относительности. Вот что такое Эйнштейн образца 1905 года: он публикует революционную статью, в которой закладываются основы квантовой механики и за которую ему позже присуждается Нобелевская премия, но она оказывается всего лишь второй по важности из двух его статей, опубликованных в том журнале!

Квантовомеханические следствия

Квантовая механика стала постепенно внедряться в физику в первые десятилетия XX века. Начиная с Планка и Эйнштейна, ученые пытались понять смысл поведения фотонов и атомов, и в тот момент времени, когда они это поняли, надежная ньютоновская картина мира была опрокинута с ног на голову. В последние несколько веков в физике произошло много революций, но на фоне всех остальных две выделяются своей грандиозностью. Первая случилась, когда гениальный Ньютон в 1600-х годах сформулировал свое видение «классической» механики, а вторая – когда группа блестящих ученых сформулировала квантовую механику, заменившую теорию Ньютона.

Основное различие между квантовым и классическим мирами состоит в отношениях между тем, что действительно существует и тем, что мы можем наблюдать. Конечно, любое наше измерение содержит ошибки наших измерительных приборов, но в классической механике мы по крайней мере можем считать, что, изготавливая все более совершенные приборы, мы приближаем измеряемые характеристики к реальным. Квантовая же механика в принципе лишает нас такой надежды. В квантовом мире все, что мы можем увидеть, – лишь малая часть того, что действительно существует.

Вот грубая аналогия, иллюстрирующая суть этого утверждения. Представьте, что у вас есть очень фотогеничная подруга, но, рассматривая ее фотографии, вы замечаете что-то странное: на всех фотографиях она изображена сбоку – то слева, то справа, но никогда – спереди или сзади. Когда вы смотрите на нее в профиль, а затем фотографируете, снимок всегда правильно фиксирует позицию. Но когда вы смотрите на нее прямо спереди, а затем фотографируете, на половине снимков возникает ее левый профиль, а на второй половине – правый. (Аналогия предполагает, что понятие «сделать снимок» эквивалентно понятию «сделать квантовое наблюдение».) Вы можете сделать снимок под любым углом, а затем очень быстро переместиться на 90° и сделать второй снимок, но на фотографиях вы всегда увидите подругу только в профиль. В этом суть квантовой механики – ваша подруга по отношению к вам может находиться в любой позиции, но, когда вы ее фотографируете, на снимке она получается только в одной из двух возможных «профильных» позиций. Это хорошая аналогия для «спина» электрона в квантовой механике. При измерениях направления вращения электрона относительно любой оси вы всегда получите только вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Тот же принцип применим и к другим наблюдаемым величинам. В классической механике есть характеристика частицы, называемая «положением», которое мы можем измерить. В квантовой механике такого понятия нет. Вместо этого вводится так называемая «волновая функция» частицы, которая представляет собой набор чисел, показывающих вероятность нахождения частицы в каждом конкретном месте. Тут уже нельзя указать место, «где находится частица на самом деле».

Когда квантовую механику применили к полям, возникла специальная наука – «квантовая теория поля», которая стала основой нашего современного понимания реальности на самом фундаментальном уровне. Согласно квантовой теории поля, наблюдая за полем достаточно пристально, мы увидим, что оно «распадается» на индивидуальные частицы, хотя и само поле реально. (На самом деле поле имеет волновую функцию, описывающую вероятность нахождения его с каким-либо определенным значением в каждой точке пространства.) В реальной жизни такое тоже происходит: если смотреть на экран телевизора или монитор компьютера издалека, кажется, что на них отображается гладкая картинка, но при ближайшем рассмотрении видно, что на самом деле экраны – это матрицы, состоящие из крошечных пикселей.

Квантовая теория поля объясняет и феномен возникновения виртуальных частиц, в том числе партонов (кварков и глюонов) внутри протонов, которые играют такую важную роль в столкновениях на БАКе. Так же как мы никогда не сможем достаточно точно определить положение индивидуальной частицы, мы никогда не сможем совершенно точно определить конфигурацию поля. Если мы посмотрим на него достаточно пристально, то увидим, что в зависимости от локальных условий частицы появляются и исчезают в пустом пространстве. Виртуальные частицы – прямое следствие неопределенности, присущей квантовым измерениям.

Поколениям студентов-физиков задавался каверзный вопрос: «Из чего в действительности состоит материя – из частиц или волн»? Зачастую студенты, даже пройдя многолетний курс обучения, так и не находят ответ. На самом деле ответ таков: материя состоит из волн (квантовых полей), но когда мы смотрим на них достаточно внимательно, то видим частицы. Если бы наше зрение было столь же острым, как у лягушек, этот факт для нас, возможно, был бы более очевидным.

Фермионные поля

Итак, свет – это волны, рябь, распространяющаяся в электромагнитном поле, пронизывающем пространство. Если мы привлечем к этому описанию еще и квантовую механику, то придем к квантовой теории поля, которая утверждает, что при внимательном рассмотрении электромагнитного поля мы увидим, что оно состоит из отдельных фотонов. Та же логика применима и для гравитации: поле тяжести – тоже поле, в нем есть колебания – гравитационные волны, которые перемещаются в пространстве со скоростью света, а если посмотреть на такую волну достаточно пристально, видно, что она представляет собой поток безмассовых частиц, «гравитонов». Гравитация слишком слаба, чтобы мы смогли обнаружить отдельные гравитоны, но основные принципы квантовой механики говорят, что гравитоны должны существовать. Подобным же образом сильное ядерное взаимодействие осуществляется через поле, которое мы наблюдаем в виде частиц, называемых «глюонами», а слабое ядерное взаимодействие – через поле, носители которого – W– и Z-бозоны.

Все это, конечно, хорошо: как только мы выяснили, что силы возникают из полей, распространяющихся в пространстве, а квантовая механика объяснила, что поля выглядят как частицы, у нас появилось довольно хорошее представление о том, как работают силы природы. Ну а как же быть с веществом, на которое эти силы действуют? Одно дело думать, что гравитация или магнетизм возникают из полей, и совсем другое – что сами атомы порождаются полями. Если что-то и является настоящей частицей, а не полем, так это один из тех крошечных электронов, вращающихся по орбитам в атомах. Не так ли?

Совсем не так. Подобно частицам, переносчикам взаимодействий, частицы вещества тоже возникают в результате применения правил квантовой механики к полю, заполняющему пространство. Частицы-переносчики взаимодействий являются бозонами, а частицы вещества – фермионами. Они соответствуют различным видам полей, но – тем не менее – полей!

Бозоны, как уже говорилось, могут жить на головах друг у друга, в то время как фермионам требуется много места. Давайте подумаем об этом с точки зрения полей, колебаниями которых являются эти частицы. Разница между ними сводится к простому различию: бозонные поля могут принимать вообще любое значение, в то время как каждая возможная частота колебаний поля фермионов может быть раз и навсегда либо «включена», либо «выключена». Когда бозонное поле, например электромагнитное, очень велико, это соответствует большому числу частиц; когда это значение невелико, но отлично от нуля, там всего несколько частиц. Таких возможностей нет у фермионных полей. Частица там либо существует (в некотором определенном состоянии), либо нет. Это важнейшее свойство, известное как принцип Паули: не может быть двух частиц-фермионов в одном и том же состоянии. Чтобы дать определение «состояния» частицы, мы должны указать, где она находится, какую энергию имеет, и, возможно, определить некоторые другие характеристики, например сказать, как она вращается. Принцип Паули говорит, что два одинаковых фермиона не могут заниматься совершенно одним и тем же в одном и том же месте.

Передача колебаний

Идея о том, что частицы вещества являются дискретными колебаниями фермионных полей, помогает объяснить особенности реального мира, которые иначе могли бы остаться непонятными. Например, то, как частицы могут рождаться и исчезать. В первые годы квантовой механики ученые изо всех сил пытались разобраться с феноменом радиоактивности. Они еще могли понять, как фотоны получаются из других частиц, ведь фотоны – просто колебания электромагнитного поля. Но как насчет радиоактивных процессов, таких как распад нейтрона? Внутри ядра, в тесном соседстве с несколькими протонами нейтрон может жить вечно. Когда же он изолирован и предоставлен сам себе, он распадается в течение нескольких минут, превращаясь в протон и испуская электрон и антинейтрино. Вопрос в том, откуда берется электрон и антинейтрино. Ученые сначала предположили, что на самом деле они все это время прятались внутри нейтрона, но это оказалось не совсем верным.

Красивый ответ был дан в 1934 году Энрико Ферми, который впервые по-настоящему применил теорию поля к фермионам. (Кстати, эти частицы были названы в честь Ферми.) Итак, Ферми предположил, что можно считать каждую из этих частиц колебанием соответствующего квантового поля и каждое поле чуточку влияет на другие, так же как игра на пианино в одной комнате заставляет струны пианино, стоящего в соседней комнате, тихонько колебаться в ответ. Нельзя сказать, что новые частицы волшебным образом создаются из ничего – просто колебания нейтронного поля постепенно превращаются в колебания протонного, электронного и антинейтринного полей. А поскольку это квантовая механика, мы не можем на самом деле представить себе это превращение как постепенное – мы должны наблюдать нейтрон либо как обычный нейтрон, либо как уже распавшийся, причем вероятности этих исходов математически рассчитываются.

Квантовая теория поля также помогает понять, как одна частица способна превратиться в другие, с которыми она даже непосредственно не взаимодействует. Классический пример, который скоро станет для нас очень важным, – бозон Хиггса, распадающийся на два фотона. Этот процесс кажется невозможным, потому что мы знаем, что фотоны не взаимодействуют непосредственно с полем Хиггса. Фотоны взаимодействуют с заряженными частицами, а поле Хиггса взаимодействует с массивными частицами. А мы знаем, что бозон Хиггса не заряжен, а фотоны не обладают массой.

Разгадка лежит в концепции виртуальных частиц, которые в действительности следует рассматривать как виртуальные поля. Бозон Хиггса появляется на свет как волна колебаний поля Хиггса. Это колебание способно возбудить колебания массивных частиц, с которыми поле Хиггса взаимодействует. Но эти колебания могут не дотянуть до уровня, достаточного для появления новых частиц, а вместо этого создадут колебания в еще одном поле, в данном случае – в электромагнитном. Вот так бозон Хиггса и превратится в фотоны: сначала он превращается в виртуальные заряженные массивные частицы, а те затем быстро превращаются в фотоны. Это как если бы у вас было два совершенно расстроенных друг относительно друга пианино, которые обычно не могут подстроиться друг под друга, но есть третий инструмент в комнате, например скрипка, которая достаточно легко настраивается в резонанс с ними обоими.

Законы сохранения

Из-за того что все частицы возникают из полей, даже частицы вещества могут появляться и исчезать. Но это не значит, что в природе воцарилась анархия. Оцените электрический заряд до и после нейтронных распадов. До распада это ноль, поскольку нейтрон – частица, не имеющая заряда. После распада он также равен нулю – протон имеет положительный заряд, а электрон имеет точно такой же отрицательный заряд, антинейтрино же не имеет заряда вообще. Оказывается, что и число кварков одно и то же до и после распада, так как один нейтрон производит один протон. Наконец, и число лептонов равно одному до и после распада, если считать лептон антиматерии как один лептон со знаком минус (и антикварк – одним кварком со знаком минус, если появляются какие-нибудь антикварки). Нейтрон состоит из трех кварков и не содержит лептонов, а при распаде в продуктах его распада также содержится три кварка (в протоне) и нет лептонов (один в электроне и минус один в антинейтрино). Вот поэтому при распаде нейтрона и образуется антинейтрино, а не нейтрино.

Эти ненарушаемые правила являются законами сохранения, которые определяют, какие взаимодействия частиц разрешены природой, а какие – нет. Наряду с известным законом сохранения энергии есть также закон сохранения электрического заряда, числа кварков и числа лептонов. Некоторые законы сохранения более строгие, чем другие. Например, физики подозревают, что иногда число кварков и лептонов во взаимодействиях может не сохраняться (очень редко или в экстремальных условиях), но большинство уверено в том, что и энергия, и электрический заряд сохраняются абсолютно всегда.

Пользуясь этими правилами, мы можем понять, какие частицы распадутся, а какие из них живут вечно. Общее правило гласит: тяжелые частицы обычно распадаются на более легкие, если при этом не нарушаются никакие законы сохранения. Электрический заряд сохраняется, и электроны являются самыми легкими заряженными частицами, поэтому они совершенно стабильны. Число кварков сохраняется, и протон является самой легкой частицей с ненулевым числом кварков, так что он также стабилен (насколько мы знаем). Нейтроны не являются стабильными, но в содружестве с протонами могут образовывать стабильные ядра.

Бозон Хиггса – очень тяжелая частица с нулевым зарядом, которая не является ни кварком, ни лептоном, и она распадается, причем так быстро, что мы никогда не сможем наблюдать ее непосредственно в детекторе частиц. Это одна из причин того, почему ее было так трудно найти и почему успех ученых так нас всех обрадовал.

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 = mc. 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 уществует.) 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, 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.

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.

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) кидат 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 XX 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, с 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 поворота[6]» 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