Борис Штерн - Прорыв за край мира

Итак, пустота — очень сложная сущность. Может ли она играть роль среды, влияющей на физические законы, подобно тому, как огромное внешнее давление имитирует неразрывность воды, находящейся в цилиндре под поршнем? Влиять не через тонкие эффекты, подобные упомянутым выше, а весомо, грубо, зримо — меняя физику, как стекло меняет скорость света, а вода — вес предметов? В 1960-х годах ученые, занимающиеся физикой элементарных частиц, пришли к мнению, что, скорее всего, так и есть.

В принципе, идея не нова: еще в XIX веке была популярна теория эфира — среды, заполняющей всё пространство. Считалось, что свет — колебания эфира, подобно тому, как звук — колебания воздуха. Идея эфира с треском провалилась: она предполагала существование выделенной системы отсчета, что было опровергнуто прямыми экспериментами. На смену эфиру пришла специальная теория относительности, и важнейшим требованием к вакууму стала лоренц-инвариантность, т.е., например, невозможность обнаружить свое движение, ставя любые эксперименты в кабине космического корабля.

Выше было заявлено, что среднее значение электромагнитного поля в вакууме равно нулю. А если бы оно было не нулевым, а постоянным и однородным, может быть, мы бы не заметили этого и приняли его влияние за закон природы? Заметили бы. Более того, мы живем в почти однородном магнитном поле напряженностью полгаусса и замечаем это по стрелке компаса. Поведение стрелки не слишком элегантный закон — иногда оно неустойчиво, а где-то аномально. Если мы будем двигаться с большой скоростью поперек направления стрелки компаса (например, на орбитальной станции), мы обнаружим, что в кабине появилось электрическое поле, перпендикулярное стрелке компаса и направлению движения станции. Зато двигаясь вдоль силовых линий поля наблюдатель не обнаружит ничего нового. Значит, наш «вакуум», в который мы директивным путем включили магнитное поле Земли, не изотропен и не лоренц-инвариантен. И никакая конструкция из электромагнитного поля не подойдет на роль вакуума, который нам нужен.

Проблема в том, что электромагнитное поле слишком сложное -четыре независимых компоненты, которые не утаишь в мешке, они всегда выдают свое наличие по легко измеряемым величинам. Но в принципе может существовать и более простое поле — скалярное, имеющее только одну компоненту, которое, будучи однородным и постоянным, не нарушает ни изотропии, ни лоренц-инвариантности. До недавнего времени не было обнаружено ни одного примера фундаментального скалярного поля, но теоретики уже давно говорили о возможном существовании подобных полей. Среди этих теоретиков был Питер Хиггс. Не он один, конечно: независимо и даже чуть раньше идею опубликовали Франсуа Энглер и Роберт Браут, но именно имя Хиггса оказалось увековеченным.

Почему бы скалярному полю не заполнять наше пространство, влияя на законы природы? Мы такого поля не видим, не можем его «пощупать», но не можем и исключить.

А зачем понадобилось изобретать такое поле, играющее роль среды в которой мы живем? Зачем умножать сущности? Дело в том, что подобное поле как раз может убрать лишние сущности!

В основании нашего материального мира лежит несколько семейств элементарных частиц: фотоны с W-бозонами, лептоны (электрон с двумя более тяжелыми партнерами и три нейтрино), кварки, глюоны. У фотона и глюонов нулевая масса, у нейтрино — очень маленькая, у остальных — разные, разброс в двести тысяч раз. Все подчиняются разным взаимодействиям: электромагнитным, сильным, слабым. Короче, зоопарк!

Поле, заполняющее вакуум, которое получило ныне всем известное имя Хиггса, объясняет, почему получился такой зоопарк. Изначально, как сказал бы физик-теоретик, «в исходном лагранжиане» (а мы скажем высокопарно: «в фундаменте мироздания»), фотон и W-бозоны вели себя сходным образом, а электромагнитные и слабые взаимодействия были в точности симметричны. У всех частиц исходно массы равны нулю. Более того, в таком мире действовала очень красивая связь между полями и носителями заряда, с которым связаны эти поля, — такая связь называется калибровочной инвариантностью. Только такой мир был бы вряд ли пригоден для жизни.

Появление зоопарка частиц и взаимодействий — факт истории нашей Вселенной: в первые доли секунды существования этого мира вакуум заполнился ненулевым полем Хиггса; почему — будет объяснено ниже. Мы его напрямую не ощущаем — оно везде одинаково. Но исходно одинаковые частицы по-разному взаимодействуют с этим полем, в результате приобретают разные массы. Когда у одного переносчика взаимодействия (фотона) масса остается нулевой, а у другого (W- и Z-бозоны) делается весьма большой, единое прежде электрослабое взаимодействие расщепляется на два совсем непохожих: электромагнитное и слабое.

Подозревают, что и сильное взаимодействие изначально было едино с электрослабым. Соответствующую гипотезу называют теорией великого объединения. В ней кварки и лептоны исходно (опять же «в фундаменте мироздания») оказываются родственниками, способными превращаться друг в друга. У сильных и элек-трослабых взаимодействий — общая константа. Переносчики сильного взаимодействия — глюоны — попадают в одну широкую группу симметрии с фотонами и переносчиками слабого взаимодействия — W- и Z-бозонами. Но всё нарушилось, поскольку в вакууме появились ненулевые скалярные поля. Группа симметрии расщепилась на отдельные подгруппы. Кварки перестали превращаться в лептоны и наоборот, отчего протон оказался почти стабильным. Почти — потому что запрет на переходы «кварк — электрон» связан с тем, что масса частицы-переносчика такого взаимодействия, Х-бозона, стала огромной. Но запрет не абсолютный, поскольку эта масса всё же конечна. Квадрат этой огромной массы стоит в знаменателе вероятности распада протона, из-за чего время жизни протона оказывается больше 10 33лет (экспериментальный предел). Мир стал сложнее и богаче.

Итак, мир изначально проще, чем мы наблюдаем, но «кривой» вакуум сделал его сложным и пригодным для жизни. Это на научном языке называется «спонтанным нарушением симметрии» и относится не только к вакууму. Возникновение доменов в остывающем ферромагнетике (участки самопроизвольной намагниченности; на их основе делали первые компасы, см. «Моби Дик» Мелвилла, глава CXXIV) — тоже спонтанное нарушение симметрии. Или образование узора на окне в морозный день. Пар в комнате однороден, изотропен и «безвиден», но когда он кристаллизуется на стекле, образуется сложный красивый узор.

11.2. Результат спонтанного нарушения симметрии при конденсации пара. Фото Валентины Сафроновой