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

Однако утверждение о том, что один сорт симметрии, возможно, управляет строением вещества, еще ничего не говорило о том, что эта симметрия может быть расширена до некоторой разновидности калибровочной симметрии Гелл-Манна, определяющей взаимодействия между частицами. Уже надоевшая проблема наблюдаемых масс векторных мезонов означала, что они не могут по-настоящему отражать какую бы то ни было лежащую в основе сильного взаимодействия калибровочную симметрию, так чтобы однозначно определять ее форму и потенциально обеспечивать ей квантово-механический смысл. Любое расширение квантовой электродинамики по Янгу – Миллсу требовало, чтобы новые фотоноподобные частицы обладали нулевой массой. И точка.

И как раз в тот момент, когда физики столкнулись с этим непреодолимым на первый взгляд препятствием, прозвучал неожиданный звоночек от сверхпроводимости, открывший другую, более тонкую, но в конечном итоге более глубокую возможность.

Первым, кто разворошил погасшие было угли, стал теоретик, работавший непосредственно в области физики конденсированных сред, связанной со сверхпроводимостью в различных материалах. Филип Андерсон в Принстонском университете, позже получивший Нобелевскую премию за другие работы, предположил, что одно из наиболее фундаментальных и универсальных явлений в сверхпроводниках стоит рассмотреть в контексте физики элементарных частиц.

Одна из самых впечатляющих демонстраций, которые можно провести со сверхпроводниками, особенно с новыми высокотемпературными сверхпроводниками, в которых сверхпроводимость проявляется при температуре жидкого азота, состоит в том, чтобы заставить магнит висеть в воздухе над сверхпроводником, как показано на рисунке.

Это возможно по причине, которую экспериментально открыл в 1933 г. Вальтер Мейснер с коллегами, а объяснили теоретики Фриц и Хайнц Лондон двумя годами позже; причина эта известна как эффект Мейснера.

Как открыли Фарадей и Максвелл за шестьдесят лет до этого, электрические заряды по-разному отзываются на магнитное и электрическое поля. В частности, Фарадей открыл, что переменное магнитное поле может вызывать электрический ток в удаленном проводнике. Не менее важно, хотя раньше я этого не подчеркивал, что результирующий ток будет течь таким образом, чтобы породить новое магнитное поле в направлении, противоположном меняющемуся внешнему магнитному полю. Таким образом, если внешнее поле ослабевает, то возбужденный ток породит магнитное поле, которое противится этому ослаблению. Если оно усиливается, то возбужденный ток будет течь в противоположном направлении, порождая магнитное поле, которое будет противиться этому росту.

Вы, возможно, замечали, что если во время разговора по сотовому телефону вы заходите в лифт, особенно в такой, где внешняя часть лифтовой шахты обшита металлом, то после закрытия дверей ваш звонок сбрасывается. Это пример действия так называемой клетки Фарадея. Поскольку сигнал принимается телефоном в виде электромагнитной волны, металл прикрывает вас от внешнего сигнала; дело в том, что токи в металле текут так, чтобы по возможности гасить меняющиеся электрическое и магнитное поля сигнала, снижая таким образом его силу внутри лифта.

Если бы у вас был идеальный проводник безо всякого электрического сопротивления, то заряды в металле могли бы, по существу, скомпенсировать любое действие внешнего переменного электромагнитного поля. Внутри лифта не осталось бы никакого сигнала этих переменных полей, то есть никакого телефонного сигнала, который можно было бы принять. Более того, идеальный проводник экранировал бы также действие любого постоянного внешнего электрического поля, поскольку в ответ на любое поле заряды в сверхпроводнике могут перераспределиться так, чтобы полностью его скомпенсировать.

Но эффект Мейснера этим не ограничивается. В случае сверхпроводника никакие магнитные поля, даже постоянные магнитные поля – такие, каким обладает магнит на картинке, не могут проникать внутрь сверхпроводника. Дело в том, что, если вы медленно подносите магнит издалека ближе, в сверхпроводнике возбуждается ток, компенсирующий меняющееся магнитное поле, которое усиливается с приближением магнита. Но, поскольку речь идет о сверхпроводящем материале, ток в нем продолжит течь и не остановится даже тогда, когда вы перестанете двигать магнит. Затем, если вы поднесете магнит еще ближе, в сверхпроводнике возникнет больший ток, чтобы скомпенсировать усиление поля. И так далее. Таким образом, поскольку электрические токи в сверхпроводнике могут течь без рассеивания, экранируются не только электрические поля, но и магнитные. Вот почему магниты могут левитировать над сверхпроводниками. Токи в сверхпроводнике выталкивают магнитное поле внешнего магнита, и это отталкивает магнит в точности так же, как если бы на поверхности сверхпроводника находился другой магнит, северный полюс которого был бы обращен к северному полюсу внешнего магнита (или южный полюс – к южному).

Братья Лондоны, которые первыми попытались объяснить эффект Мейснера, вывели уравнение, описывающее это явление внутри сверхпроводника. Результат наводил на размышления. Каждому отдельному типу сверхпроводника соответствует характерная величина подповерхностного слоя, определяемая микроскопической природой сверхпроводящих токов, возникающих в материале для компенсации внешних полей, – и любое внешнее магнитное поле на этой глубине гасится. Эта величина называется лондоновской глубиной проникновения. Для разных сверхпроводников эта глубина зависит от деталей их микрофизики, но как именно зависит, братья определить не смогли, поскольку микроскопической теории сверхпроводимости в то время не было.

Тем не менее само наличие глубины проникновения поразительно, поскольку подразумевает, что электромагнитное поле в сверхпроводнике ведет себя не так, как обычно, – оно больше не является дальнодействующим. Но если электромагнитные поля под поверхностью сверхпроводника становятся близкодействующими, то и носитель электромагнитных взаимодействий должен вести себя необычно. Какой же из этого следует вывод? Фотон в сверхпроводнике ведет себя так, будто он обладает массой.

В сверхпроводниках виртуальные фотоны, как и переносимые ими электрические и магнитные поля, могут распространяться под поверхностью только на расстояние, сравнимое с лондоновской глубиной проникновения, – в точности так, как обстояло бы дело, если бы электромагнетизм внутри сверхпроводника был результатом обмена массивными, а не безмассовыми фотонами.