Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Вторая проблема была более тонкой, но с экспериментальной точки зрения не менее серьезной. И нейтронный, и пионный, и мюонный распад, если их и в самом деле обеспечивали какие-то новые частицы, переносящие слабое взаимодействие, как будто требовали только обмена новыми заряженными частицами. До сих пор не наблюдалось никакого слабого взаимодействия, которое требовало бы обмена некоей новой нейтральной частицей. И если бы такая нейтральная частица действительно существовала, то, как показывали тогдашние расчеты, она позволяла бы прочим известным тяжелым мезонам, распадавшимся на два или три пиона (из-за которых и возникла первоначально путаница, в результате чего было обнаружено нарушение четности), распадаться намного быстрее, чем это наблюдалось в экспериментах.

По этим причинам гипотеза Глэшоу отошла на задний план; тем временем физиков все сильнее увлекал настоящий зоопарк новых частиц, вылетавших из ускорителей, и сопутствующая им возможность новых открытий. И хотя несколько ключевых теоретических ингредиентов, необходимых для завершения революции в фундаментальной физике, уже были на месте, это в то время было далеко не очевидно. То, что всего лишь за десять с небольшим лет после выхода статьи Глэшоу все известные взаимодействия в природе, за исключением гравитации, предстанут в новом свете и будут поняты, показалось бы в тот момент чистой фантазией.

А ключом ко всему послужила симметрия.

Легко испытывать жалость по отношению к несчастным обитателям Платоновой пещеры, которые способны узнать и понять все, что можно узнать о тенях на стене, за исключением того, что всё это – тени. Но внешность бывает обманчива. Что, если мир вокруг нас всего лишь подобная им тень реальности?

Представьте, к примеру, что вы просыпаетесь однажды морозным зимним утром и выглядываете в окно – а все стекло покрыто красивыми ледяными кристаллами, образующими на стекле странные рисунки. Вот примерно как на этой фотографии. Красота изображения поражает отчасти из-за замечательной упорядоченности на малых масштабах, которая сочетается с очевидной беспорядочностью на больших масштабах. Из кристаллов льда выросли великолепные древовидные структуры, выходящие из основания в самых разных направлениях и сталкивающиеся друг с другом под случайными углами. Контраст между упорядоченностью на малых масштабах и явным беспорядком на крупных наводит на мысль, что для крохотных физиков или математиков, живущих в замкнутом пространстве на оси одного из сфотографированных ледяных кристаллов, Вселенная выглядела бы совсем не так, как для нас.

Пространственное направление, соответствующее оси ледяного кристалла, обладало бы особыми свойствами. Природный мир казался бы ориентированным относительно этой оси. Более того, с учетом строения кристаллической решетки электрические силы вдоль оси казались бы совсем не такими, как в перпендикулярном направлении: одна и та же сила проявляла бы себя как разные силы.

Если бы физик или математик, живущий на кристалле, был умен или, подобно математику в Платоновой пещере, удачлив и смог покинуть кристалл, то ему скоро стало бы ясно, что особое направление, определяющее физику привычного ему мира, всего лишь иллюзия. Он понял бы – или, по крайней мере, обоснованно предположил, – что другие кристаллы, возможно, сориентированы в других направлениях. В конечном итоге, если бы этот ученый смог взглянуть на окно снаружи в достаточно крупном масштабе, ему стала бы очевидна фундаментальная симметрия природы в отношении поворотов, проявляющаяся в том, что кристаллы могут расти во всех направлениях.

В центре внимания современной физики лежит представление о том, что мир нашего опыта являет собой подобное случайное стечение конкретных обстоятельств, а не отражает непосредственно фундаментальную реальность. Это представление даже получило самостоятельное забавное название – «спонтанное нарушение симметрии».

Я уже упоминал один вид спонтанного нарушения симметрии, когда речь шла о четности, или симметрии правого и левого. Левая рука человека выглядит иначе, чем его же правая рука, хотя электромагнетизм – сила, определяющая строение больших биологических структур, таких как наши тела, – не различает левое и правое.

Два другие известных мне примера – оба они представлены известными физиками – также помогают высветить разные аспекты спонтанного нарушения симметрии, что может оказаться полезным. Абдус Салам, удостоенный Нобелевской премии в 1979 г. за работу, целиком основанную на этом явлении, описал всем нам знакомую ситуацию. Представьте, что вы с группой людей садитесь за круглый стол, накрытый, скажем, на восемь персон. Когда вы рассаживаетесь, вам, возможно, не очевидно, который бокал на столе предназначен вам, а который – вашему соседу справа или слева. Но, несмотря на правила этикета, предписывающие ставить бокал по правую руку от сидящего, как только кто-то первым возьмет свой бокал в руку, у всех остальных за столом останется только один вариант – если, конечно, вы стремитесь к тому, чтобы никто из участников застолья не остался без выпивки. Несмотря на то, что базовая симметрия накрытого стола очевидна, она нарушается, когда сидящие за столом выбирают направление для винных бокалов.

Йоитиро Намбу – еще один нобелиат, первым из физиков описавший спонтанное нарушение симметрии в физике элементарных частиц, предложил другой пример, который я воспроизвожу с некоторой адаптацией. Возьмите стержень (или даже соломинку для напитков), поставьте его одним концом на стол и надавите сверху на конец стержня. В конечном итоге стержень согнется. Он может согнуться в любом направлении, и если вы проделаете эксперимент несколько раз, то обнаружите, что стержень каждый раз сгибается в новом направлении. Заметим, что до вашего нажатия стержень обладал полной цилиндрической симметрией. После нажатия оказывается выбранным лишь одно направление из многих возможных, определяемое не собственной физикой стержня, а каждый раз случайными характеристиками каждого вашего нажатия. Происходит спонтанное нарушение симметрии.

Если теперь вернуться в мир покрытого изморозью окна, то окажется, что материалы могут изменяться с понижением температуры системы. Вода замерзает, газы сжижаются и т. д. В физике подобные изменения называются фазовыми переходами, и, как показывает пример с окном, нередко, когда система претерпевает фазовый переход, обнаруживается, что симметрии, связанные с одним фазовым состоянием, в другой фазе исчезают. К примеру, до замерзания и превращения в кристаллы льда на оконном стекле капли воды не были столь упорядоченными.