Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

Наверняка вы быстро заметили, что сами по себе частицы подчиняются очень строгой закономерности. Если бы мы не слишком прилежно регистрировали частицы и некоторые пропустили, свободные места в схеме тут же подсказали бы нам, где их надо искать, и даже спрогнозировали бы кое-какие качества этих частиц. Такие схемы очень удобны еще и потому, что на них сразу видны сохраняемые величины в рамках того или иного закона.

Однако рисовать я могу только на двумерной странице, поэтому в этой схеме упущено много полезной информации. Например, кварки могут быть одного из трех цветов, однако красный кварк окажется на нашей схеме ровно на том же месте, что и синий. Иными словами, в зависимости от того, как мы поглядим на частицы, мы увидим разную симметрию.

Стандартная модель

Все эти симметрии — отнюдь не просто математические фокусы. В 1960 году Шелдон Глэшоу обнаружил, что слабое и электромагнитное взаимодействие можно объединить в одно «электрослабое взаимодействие». В течение следующих десяти лет эту гипотезу усовершенствовали Стивен Вайнберг и Абдус Салам. Это одна из милых особенностей симметрии. Взгляните на соотношение между слабым изоспином, слабым гиперзарядом и обычным электрическим зарядом, и вы увидите, как тесно они связаны. Это верный признак, что и стоящие за ними взаимодействия тоже, вероятно, можно объединить.

Объединение взаимодействий — это очень важное открытие. Во-первых, оно здорово экономит время. Если бы — в идеале — все физические законы можно было описать одной формулой, вам не пришлось бы столько зубрить. А еще это означает, что физические законы обладают глубокой внутренней согласованностью.

Ньютона запомнили на века, поскольку он сумел объединить движение планет, качание маятников и падение яблок в единый закон всемирного тяготения. Подобным же образом на сторонний взгляд электричество и магнетизм — это совсем разные вещи. Электричество управляет взаимодействием воздушных шариков, которые потерли о свитер, а магнетизм — компасами. Но стоит вам — если вы, конечно, Максвелл, — копнуть поглубже, и окажется, что вся разница только в том, движутся частицы или нет.

Объединить электромагнетизм и слабое взаимодействие оказалось несколько сложнее, однако суть этого объединения сводится к тому, что в самом начале времен была единая сила, описываемая одним уравнением, однако с четырьмя частицами-переносчиками. И только остывание вселенной и довольно загадочное поле Хиггса сделали так, что эти две силы кажутся независимыми.

Согласно унифицированной электрослабой модели фотон и Z 0на самом деле не две разные частицы, а два разных состояния одной и той же частицы. А почему бы и нет, собственно? Оба электрически нейтральны. Оба обладают спином‑1. И хотя сегодня у Z 0есть заметная масса, в начале времен и Z 0, и фотон были лишены массы.

Иначе говоря, фотон и Z 0и выглядели, и взаимодействовали с другими частицами одинаково. Они реагировали не на заряд, который все мы знаем и любим, а на гиперзаряд частицы (сочетание качества, которое мы теперь называем слабым гиперзарядом, и обычного электрического заряда). После того как вселенная достаточно остыла, фотон и Z 0стали заметно различаться. В процессе разделения электрослабого взаимодействия на «электрическое» и «слабое» определенные частицы начинали взаимодействовать скорее с одним, чем с другим. Скажем, нейтрино после разрыва стало отвечать только на слабую часть, а электрическую вообще перестало видеть, поскольку оно нейтрально.

Все это не так причудливо, как вам показалось поначалу. Расклассифицировать гору частиц можно самыми разными способами, и то, какой метод сортировки выберешь, зависит от того, что ты собираешься с ними делать. Груду монет можно разобрать в зависимости от того, орлом вверх они лежат или решкой, однако совершенно очевидно, что куда осмысленнее сгруппировать их по достоинству. Поскольку энергии фотонов и Z 0так сильно различаются, сегодня их считают двумя разными частицами.

Вот что получилось, когда электрослабое взаимодействие разделилось на электрическое и слабое. А сейчас я расскажу, почему оно разделилось. Все дело в массе. В числе предсказаний, которые дали теории Яня-Миллса, было и то, что все частицы-переносчики взаимодействий должны обладать нулевой массой. Фотоны и глюоны подчиняются этому правилу легко и охотно. К сожалению, Янь и Миллс, похоже, выбили только два очка из трех. Частицы-переносчики слабого взаимодействия — подлинные тяжеловесы в мире частиц-переносчиков.

Для сравнения, масса W-бозона примерно в 85 раз превосходит массу протона, а Z 0еще массивнее. Слабые переносчики должны быть совершенно лишены массы — а они, наоборот, великаны. Это обстоятельство играет важную роль в физике слабого взаимодействия. В сущности, именно поэтому слабое взаимодействие такое слабое. Вот как писал Глэшоу:

Это камень преткновения, на который мы не должны обращать внимания.

Но нельзя же не обращать внимания на массу W-бозонов и Z 0! Эти огромные массы генерирует бозон Хиггса, частица, о которой в последнее время так много говорят. Бозон Хиггса — это Йоко Оно электрослабого взаимодействия, катализатор, который заставил два взаимодействия разорвать отношения. Однако чтобы понять, почему вокруг бозона Хиггса столько шума, надо сначала сказать несколько слов о том, откуда вообще берется масса.

Эйнштейна очень уважают, и есть за что. Он доказал, что время относительно, что свет — это частица и что атом действительно существует. Однако самое знаменитое его достижение — это формула, которая показывает, что из массы можно получить энергию и, что для наших целей еще важнее, что из энергии можно получить массу:

Я уже уподоблял поля ряби на различных вселенских батутах, однако не уделил особого внимания тому, чем эти батуты друг от друга отличаются. А между тем они совсем разные. Одни довольно неподатливые, другие более упругие. Неподатливый батут трудно раскачать, зато если это удается, он подбрасывает просто замечательно. Поразительно похоже на массу! Чтобы привести массивную частицу в движение, нужно приложить много силы, зато если уж это получилось, потребуется много силы, чтобы ее остановить.

Батут — это двумерная модель вселенной. Хотите все еще больше упростить и опуститься на одно измерение ниже? Хватит и гитары. Очень тонкие струны еще и очень легкие, и щипать их проще простого. Они колеблются быстро-быстро и издают высокий звук. Толстые менее податливые, и звук от них получается ниже. И каждая струна соответствует отдельной частице. Щиплите их на разных интервалах и с разной силой, и получите очень сложные звуки.