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.
