Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

В 1956–1957 гг. было сделано еще более загадочное открытие о свойствах симметрии. Принцип зеркальной симметрии утверждает, что физические законы природы не изменятся, если мы будем наблюдать за природой в зеркало, которое обращает отрезки, перпендикулярные к поверхности зеркала (то есть нечто, расположенное далеко позади вашей головы, в зеркале выглядит так, как будто оно расположено далеко позади вашего отражения, а значит, далеко впереди вас). Эта трансформация не является поворотом — не существует способа так повернуть систему отсчета, чтобы эффект обращения расстояний наблюдался только в направлении, перпендикулярном к плоскости зеркала. Обычно точность и универсальность зеркальной симметрии, как и других симметрий в пространстве-времени, принимается как данность, но эксперименты, проведенные в 1957 г., убедительно продемонстрировали, что слабое ядерное взаимодействие не симметрично относительно отражений, тогда как электромагнитное и сильное ядерное взаимодействия подчиняются этому закону. Оказалось, что такое же нарушение симметрии наблюдается между частицами и их античастицами.

Так мы столкнулись с двойной загадкой: что именно вызывает наблюдаемое отклонение от симметрии восьмеричного пути, зеркальной симметрии и симметрии материи и антиматерии? Теоретики предлагали несколько возможных вариантов ответа, но, как мы увидим, ошибочным был сам вопрос.

В 1960–1970-х гг. мы стали свидетелями масштабного расширения представлений о роли симметрии в физике. Протон-нейтронная симметрия изначально предполагалась глобальной, то есть считалось, что уравнения, описывающие сильное ядерное взаимодействие, не изменятся, если мы заменим нейтроны и протоны на различные смешанные состояния во всех точках пространства и времени. Но что, если уравнения подчиняются более строгой локальной симметрии, то есть такой, при которой уравнения также не изменятся, если мы заменим нейтроны и протоны на различные смешанные состояния в различные моменты времени в разных точках пространства? Такая замена не приведет к появлению каких-либо новых семейств частиц вроде нейтрон-протонного дублета или октетов восьмеричного пути. Наоборот, для выполнения локальной симметрии потребуются новые частицы, идентичные фотонам (частицам света), — новые частицы, которые обеспечат взаимодействие между протонами и нейтронами. Была надежда, что теория такого рода сможет каким-то образом объяснить сильное ядерное взаимодействие, благодаря которому нейтроны и протоны удерживаются вместе в атомном ядре.

Концепция симметрии расширялась в разных направлениях. В 1960-е гг. теоретики начали изучать возможность нарушения симметрий [82] Термин «нарушенная симметрия» вводит в заблуждение. В рассматриваемых случаях симметрия в фундаментальных уравнениях может быть точной; она отсутствует только в решениях этих уравнений. , при которой фундаментальные уравнения физики могут подчиняться симметриям, тогда как физические состояния, описываемые решениями этих уравнений, — нет.

В качестве хорошего примера можно вспомнить кеплеровские эллиптические орбиты планет. Уравнения, описывающие гравитационное поле Солнца и движение тел в этом поле, подчиняются вращательной симметрии — в этих уравнениях нет таких членов, которые бы выделяли какое-то одно направление в пространстве среди других. Круговые орбиты планет, вроде тех, о которых говорил Платон, также подчиняются этому типу симметрии, но эллиптические орбиты планет Солнечной системы — нет; большая ось эллипса имеет конкретное направление в пространстве.

Поначалу многие думали, что нарушенная симметрия может быть как-то связана с известными малыми отклонениями в зеркальной симметрии или в симметрии восьмеричного пути. Но это предположение было ошибочным. Нарушенная симметрия не имеет ничего общего с приближенной симметрией; она не играет никакой роли в определении семейств частиц, вроде семейств восьмеричного пути.

Вместе с тем нарушение симметрии имеет последствия, которые можно исследовать опытным путем. Поскольку уравнения гравитационного поля Солнца обладают сферической симметрией, большая ось эллиптической орбиты планеты может быть ориентирована в любом направлении в пространстве. По этой причине орбиты крайне чувствительны к любым малым возмущениям, которые нарушают симметрию, например к влиянию гравитационного поля других планет. Скажем, такие возмущения заставляют большую ось орбиты Меркурия совершать оборот на 360° в плоскости орбиты каждые 2573 века. В 1960-х гг. теоретики поняли, что сильному ядерному взаимодействию присуща нарушенная, так называемая киральная, симметрия, которая описывает свойства частиц, получивших название пи-мезонов [83] Киральная симметрия похожа на упомянутую выше протон-нейтронную симметрию за исключением того, что преобразования симметрии могут отличаться в зависимости от того, по или против направления их движения направлены их спины. Пи-мезон в некотором смысле является аналогом медленной прецессии эллиптической планетарной орбиты; как малые возмущения могут существенно изменять ориентацию орбиты, так и пи-мезоны могут возникать при столкновениях нейтронов и протонов относительно низких энергий. .

Оказалось, что выход из сложившегося в 1950-е гг. печального положения физики элементарных частиц лежал через локальные и нарушенные симметрии. Во-первых, выяснилось, что электромагнитное и слабое ядерное взаимодействия описываются нарушенной локальной симметрией. (Первостепенная цель экспериментов, которые сейчас проводятся на новом ускорителе частиц в швейцарском CERN, состоит в том, чтобы установить, что именно является причиной нарушения этой симметрии.) Затем стало понятно, что сильное ядерное взаимодействие обладает другой локальной симметрией и эта симметрия не нарушена. Общая теория сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, получившая название Стандартной модели, хорошо справляется с описанием практически всех эффектов и явлений, которые мы наблюдаем в лабораториях.

Для подробного разговора об этих симметриях, о Стандартной модели или о других типах симметрии, выходящих за рамки Стандартной модели, одной главы книги не хватит. Поэтому я хочу рассмотреть только один вопрос о симметрии, который, насколько мне известно, еще нигде не освещался для широкой аудитории. Когда в начале 1970-х гг. Стандартная модель приобрела современную форму, теоретики, к радости своей, столкнулись с кое-чем неожиданным. Оказалось, что Стандартная модель обладает определенными типами симметрии, которые можно назвать случайными в том смысле, что они автоматически следуют из Стандартной модели, хоть и не являются точными локальными симметриями, на которых Стандартная модель базируется. Эти случайные симметрии во многом описывают явления, которые раньше казались загадочными, а кроме того, открывают новые интересные возможности.