Симметрии и законы физики

Как мы знаем из главы 6, в 1915 году Эмми Нётер доказала, что три великих физических закона сохранения: линейного момента, момента импульса и энергии — автоматически подчиняют себе любую теорию, которая включает трансляционную симметрию пространства, вращательную симметрию пространства или трансляционную симметрию времени соответственно. Законы сохранения не ограничивают возможности поведения вещества в том виде, в каком эти законы обычно описываются на уроках и в учебниках по физике. Они ограничивают возможности физиков. Бели физик хочет создать модель, которая будет работать в любой точке времени и пространства и под любым углом, у него нет выбора. Такая модель автоматически будет заключать в себе три закона сохранения.

Хотя стандартная модель элементарных частиц далеко ушла от оригинальной работы Нётер, она подтвердила общую идею о том, что важнейшая составляющая известных нам законов физики заключается просто в требованиях логики, накладываемых на наши модели, чтобы сделать их объективными, то есть независимыми от точки зрения какого-либо наблюдателя. В моей книге «Постижимый космос» (The Comprehensible Cosmos) я назвал этот принцип инвариантностью точки зрения и доказал, что практически всю классическую и квантовую механику можно вывести из него^{219}.

Подзаголовок этой книги звучит так: «Откуда появились законы физики?» Ответ: они не появились ниоткуда. Они представляют собой либо метазаконы — необходимые требования симметрии, которые сохраняют инвариантность точки зрения, либо внутренние законы — случайности, происходящие, когда какая-нибудь симметрия спонтанно нарушается при определенных условиях. Заметьте, если существует множество вселенных, все они должны иметь общие метазаконы, но внутренние законы могут быть разными.

Хоть это и не общепризнанный факт, обнаруженную Нётер связь между симметриями и законами можно распространить с пространства-времени на абстрактное внутреннее пространство квантовой теории поля. Теории, основанные на этой концепции, называются калибровочными теориями. В начале XX века ученые доказали, что закон сохранения электрического заряда и уравнения Максвелла для электромагнитного поля можно напрямую вывести из одной и той же калибровочной симметрии.

В конце 1940-х калибровочную теорию применили в квантовой электродинамике — квантовой теории электромагнитного поля, описанной ранее. Впечатляющий успех этого подхода, благодаря которому удалось сделать самые точные прогнозы в истории науки, позволял предположить, что другие силы также можно вывести из симметрии. В 1970-х годах Абдус Салам, Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг, работая преимущественно независимо друг от друга (они, должно быть, читали одни и те же работы), открыли калибровочную симметрию, которая позволяла объединить электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие. Это стало первым шагом к разработке теоретической стороны стандартной модели. В 1979 году эти трое разделили Нобелевскую премию по физике.

Позвольте мне объяснить, что имеется в виду под объединением двух взаимодействий (двух сил). До Ньютона считалось (говоря современным языком), что существует один закон тяготения для Земли, а другой — для небес. Ньютон объединил их, доказав, что в основе лежит одна и та же сила, которая описывает движение как яблок, так и планет в рамках единого закона всемирного тяготения. В XIX веке считалось, что электричество и магнетизм — это две разные силы, пока Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл не объединили их в одну силу, названную электромагнитной.

Однако электромагнитное и слабое ядерное взаимодействия едва ли походили на единую силу на том уровне энергии, который был доступен нам на ускорителях частиц до совсем недавнего времени. Электромагнитная сила способна пересечь Вселенную, о чем свидетельствует тот факт, что мы можем увидеть галактики, которые находились в более чем 13 млрд. световых лет от Земли, когда испустили наблюдаемый нами свет. Максимальное расстояние, которое способно преодолеть слабое взаимодействие, составляет всего около 1/1000 диаметра ядра. Нужно недюжинное воображение, чтобы предположить, что они могут представлять собой одну и ту же силу! Помнится, Фейнман особенно сомневался в этом.

На диаграмме Фейнмана взаимодействие происходит путем обмена частицами, чья масса обратно пропорциональна радиусу взаимодействия. Поскольку радиус электромагнитного взаимодействия, похоже, не имеет пределов, его носитель, фотон, должен иметь массу, очень близкую к нулю. На деле же, согласно принципу калибровочной инвариантности, масса фотона в точности равна нулю. В то же время частицы, являющиеся переносчиками слабого взаимодействия, должны иметь массу 80,4 или 90,8 ГэВ. Это значит, они почти на два порядка массивнее протона (0,938 ГэВ).

Согласно модели Салама — Глэшоу — Вайнберга, при энергии, примерно равной 100 ГэВ (теперь известно, что это значение равно 173 ГэВ), электромагнитное и слабое взаимодействие объединяются. При более низкой энергии симметрия спонтанно, то есть случайным образом, разделяется на две разные симметрии: одна соответствует электромагнитному, а вторая — слабому взаимодействию. Фотон все так же не имеет массы, в то время как три слабых бозона — W⁺ и W^-, имеющие электрические заряды +е и -e соответственно, и электрически нейтральный Z-бозон — имеют массу, обусловленную коротким радиусом слабого взаимодействия.

При нарушении электрослабой симметрии слабые бозоны, как и лептоны, получают массу благодаря механизму Хиггса, который впервые предложили в 1964 году шесть авторов: Питер Хиггс из Эдинбургского университета, Роберт Браут (ныне покойный) и Франсуа Энглер из Брюссельского свободного университета, Джеральд Гуральник из Брауновского университета, Дик Хаген из Рочестерского университета и Том Киббл из Имперского колледжа Лондона — в трех независимых работах, опубликованных задолго до появления стандартной модели^{220}. Процесс был назван в честь лишь одного из шестерых — скромного британского физика Питера Хиггса, к его великому смущению.

Согласно механизму Хиггса безмассовые частицы обретают массу, разбрасывая в стороны частицы с нулевым спином, называемые бозонами Хиггса. Этот механизм стал неотъемлемой частью стандартной модели, которая была разработана спустя 10 лет.

По сути, это можно представить так: Вселенная — это среда, наполненная массивными частицами Хиггса, которые то существуют, то перестают существовать. Когда элементарная частица с нулевой массой пытается пролететь сквозь эту среду на скорости света, она отскакивает от частиц Хиггса, так что ее продвижение через среду замедляется. Таким образом происходит фактическое увеличение инерции, а масса представляет собой меру инерции тела.

Стандартная модель прогнозирует, чему в точности будут равны массы слабых бозонов: 80,4 ГэВ для Ws и 90,8 ГэВ для Z. Она также предсказывает существование слабых нейтральных токов, упомянутых в главе 10 в связи с их ролью во взрывах сверхновых, которые появляются вследствие обмена незаряженными Z-бозонами. В 1983 году эти прогнозы были блестяще подтверждены.

Полная стандартная модель, включающая как сильное, так и слабое взаимодействие, основывается на объединенной группе симметрии. Сильное взаимодействие рассматривается отдельно, а его переносчики, как уже упоминалось, — это восемь безмассовых глюонов. Небольшой радиус сильного взаимодействия — порядка 10^-15 м — обусловлен не массами глюонов, которые равны нулю, однако нет нужды углубляться в этот вопрос.

К концу XX века эксперименты на ускорителях частиц обеспечили достаточное эмпирическое подтверждение стандартной модели при энергии меньше 100 ГэВ, а также измерения ее 20 или около того настраиваемых параметров, в некоторых случаях невероятно точные. Модель согласуется с данными всех наблюдений, проведенных в физических лабораториях за десятилетия, прошедшие с момента ее появления.

4 июля 2012 года результаты двух экспериментов стоимостью в миллиарды долларов с участием тысяч физиков, работавших на БАК в ЦЕРНе, показали независимо и с большой степенью статистической значимости, что были обнаружены сигналы в массовом диапазоне 125–126 ГэВ, соответствующие всем условиям, которым должен отвечать бозон Хиггса в стандартной модели. Двое из шести ученых, предположивших его существование, Питер Хиггс и Франсуа Энглер, разделили в 2013 году Нобелевскую премию по физике.

Разумеется, как это всегда бывает с моделями, стандартная модель не ставит точку в физике частиц. Но с подтверждением существования бозона Хиггса и появлением более мощных источников энергии мы окончательно готовы перейти на следующий уровень понимания базовой природы вещества и, как мы вскоре увидим, глубже проникнуть в суть Большого взрыва. В настоящее время мощность БАК повышают до 14 ТэВ, но придется подождать еще год или два, чтобы выяснить, что нового он позволит нам узнать о физике на этом уровне.

На момент написания книги у нас уже имеются и данные, и описывающая их теория, которые предоставляют нам надежную информацию о физических процессах, протекавших во Вселенной на этапе, когда ее температура равнялась 1 ТэВ (10¹⁶ градусов), то есть тогда, когда ее возраст был всего 10^-12 с (одна триллионная).