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

Теперь представьте, каково было бы жить внутри сверхпроводника. Для вас электромагнетизм был бы силой с малым радиусом действия, фотоны – массивными частицами, а вся знакомая физика, которую мы связываем с электромагнетизмом как дальнодействующей силой, исчезла бы.

Я хочу еще раз подчеркнуть, как необычна и замечательна эта ситуация. Ни один эксперимент, который вы могли бы провести внутри сверхпроводника – при условии, что он остается в сверхпроводящем состоянии, не показал бы, что во внешнем мире фотоны не имеют массы. Если бы вы были платоновским философом внутри такого сверхпроводника, вам понадобилось бы огромное число догадок об окружающем мире, чтобы прийти к выводу, что некое загадочное и невидимое явление порождает такую иллюзию. Не одна тысяча лет была бы потрачена на размышления и эксперименты, прежде чем вы или ваши потомки смогли бы догадаться о природе реальности, лежащей в основе мира теней, в котором вы живете, или создать устройство, обладающее достаточной энергией для разбиения куперовских пар и выхода из сверхпроводящего состояния; при этом электромагнетизм был бы восстановлен в его нормальном виде и выяснилось бы, что фотон не имеет массы.

Задним числом можно сказать, что мы, физики, могли бы догадаться (просто из соображений симметрии, без непосредственного рассмотрения эффекта Мейснера), что фотоны внутри сверхпроводника должны бы, в принципе, вести себя как массивные частицы. Конденсат куперовских пар состоит из электронов и потому обладает суммарным электрическим зарядом. Это нарушает калибровочную симметрию электромагнетизма, потому что на этом фоне любые положительные заряды, добавленные к веществу, будут вести себя иначе, чем добавленные отрицательные заряды. Так что теперь существует реальное различие между положительным и отрицательным. Но не забывайте, что отсутствие массы у фотонов – признак того, что электромагнитное поле является дальнодействующим, а дальнодействующая природа электромагнитного поля говорит о том, что локальные вариации в определении электрического заряда в одном месте не влияют на физические законы глобально, во всем объеме вещества. Но если калибровочная инвариантность пропала, то локальные изменения в определении электрического заряда будут иметь реальный физический эффект, и такого дальнодействующего поля, которое могло бы гасить эти изменения, существовать не может. Один из способов избавиться от дальнодействующего поля состоит в том, чтобы сделать фотон массивным.

А теперь вопрос на 64 000 долларов: а не может ли что-то подобное происходить в мире, где мы обретаемся? Может ли причиной наличия масс у тяжелых фотоноподобных частиц служить то, что на самом деле мы живем в чем-то похожем на космический сверхпроводник? Именно этот жгучий вопрос поднял Андерсон, по крайней мере в части аналогии с настоящими сверхпроводниками.

Прежде чем ответить на этот вопрос, нам необходимо разобраться в некотором техническом волшебстве, позволяющем наделить массой фотон в сверхпроводнике.

Вспомним, что в электромагнитной волне электрическое (E) и магнитное (B) поля колеблются туда-сюда в направлениях, перпендикулярных направлению движения волны, как показано на рисунке.

Поскольку перпендикулярных направлений два, электромагнитную волну можно изобразить двумя способами. Волна может выглядеть так, как показано на рисунке, а можно поменять поля E и B местами. Это результат того, что электромагнитные волны имеют две степени свободы, которые называют двумя разными поляризациями.

Это объясняется калибровочной инвариантностью электромагнетизма или, что то же самое, отсутствием у фотона массы. Однако если бы у фотонов была масса, то результатом стало бы не только нарушение калибровочной инвариантности, но и возникновение третьего варианта. Электрическое и магнитное поля могли бы колебаться вдоль направления движения, вместо того чтобы придерживаться только перпендикулярных к нему направлений. (Поскольку фотоны уже не двигались бы со скоростью света, стали бы возможны колебания вдоль направления движения частиц.)

Но это означает, что соответствующие массивные фотоны должны иметь не две, а три степени свободы. Как же могут фотоны в сверхпроводниках обрести эту лишнюю степень свободы?

Андерсон исследовал этот вопрос в сверхпроводниках, и его решение тесно связано с фактом, о котором я уже говорил. Если бы в сверхпроводнике не было электромагнитных взаимодействий, в конденсате куперовских пар можно было бы производить небольшие пространственные изменения с энергозатратами сколь угодно малой величины, потому что куперовские пары не взаимодействовали бы друг с другом. Однако, если принять во внимание электромагнетизм, эти низкоэнергетические моды (которые уничтожили бы сверхпроводимость) исчезают, и как раз потому, что заряды в конденсате взаимодействуют с электромагнитным полем. Это взаимодействие заставляет фотоны в сверхпроводнике вести себя так, как если бы они обладали массой. Новый режим поляризации массивных фотонов в сверхпроводнике возникает, когда конденсат колеблется в ответ на проходящую электромагнитную волну.

На языке физики элементарных частиц безмассовые моды Намбу – Голдстоуна, соответствующие корпускулярному варианту исчезающе малых в ином случае энергетических колебаний в конденсате, «съедаются» электромагнитным полем, что придает фотонам массу и новую степень свободы и делает электромагнитное взаимодействие в сверхпроводнике близкодействующим.

Андерсон предположил, что это явление – при котором безмассовый в ином случае фотон исчезает в сверхпроводниках, и безмассовая в ином случае мода Намбу – Голдстоуна тоже исчезает, и обе они вместе соединяются и порождают массивный фотон – может оказаться важным для решения давней задачи создания массивных фотоноподобных частиц Янга – Миллса, которые, возможно, связаны с сильными ядерными взаимодействиями.

Андерсон на этом остановился, оставив в подвешенном состоянии предположение о том, что этот механизм, придуманный по аналогии со сверхпроводниками, может быть применим и в теории элементарных частиц. Так же как и Намбу в свое время остановился на рассмотрении спонтанного нарушения симметрии в физике элементарных частиц по аналогии со сверхпроводимостью, но не исследовал связанное со сверхпроводимостью явление, на котором позже сосредоточился Андерсон, – эффект Мейснера, придающий массу фотонам в сверхпроводниках. Явное приложение всех этих идей к физике элементарных частиц было еще впереди.