Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Нормальный проводник, например медная проволока, проводит электричество из-за того что его атомы расположены относительно друг друга определенным образом. Они образуют решетку, в которой орбиты электронов, вращающихся вокруг одного атома меди, перекрываются с орбитами электронов соседнего атома. Фактически это решетка положительных ионов меди, погруженная в море почти свободных электронов, способных легко перемещаться. Вот почему медная проволока хорошо проводит электричество — электроны движутся вдоль нее как вода по садовому шлангу.

Проводимость меди, как и других металлов, зависит от температуры. При нагреве проводимость падает, поскольку ионная решетка колеблется и затрудняет продвижение электронов. Когда металл остывает, амплитуды колебаний уменьшаются, и электронам становится легче двигаться. Тем не менее нормальный металл никогда не станет идеальным проводником, потому что даже при абсолютном нуле, то есть при -273 градусах по Цельсию, электроны по-прежнему рассеиваются на дефектах и примесях решетки.

Сверхпроводник отличается от нормального проводника коренным образом. Если его охладить до определенной температуры, он вдруг теряет все свое электрическое сопротивление. Такое странное поведение сверхпроводящих материалов привело ученых к мечте о внутренних и транснациональных сверхэффективных энергетических системах, где будут использоваться сверхпроводящие провода, по которым электрический ток будет идти даже без малейших энергопотерь.

В конце 1950-х ученые открыли механизм сверхпроводимости, то есть поняли, что заставляет сверхпроводники вести себя в соответствии со своим названием. Когда сверхпроводник охлаждается ниже критической температуры, его электроны образуют пары — явление это очень необычное. Такие электронные пары в сверхпроводниках ведут себя, словно кристаллической решетки не существует вовсе, они подобны некой сверхтекучей субстанции, перемещающейся по кристаллу без потери энергии. Итак, если температура сверхпроводника ниже критической температуры, его сопротивление равно нулю 68 68 Сверхпроводимость является гораздо более сложным и тонким процессом, чем я описал. Хорошее введение в сверхпроводимость см. в кн.: P.J. Ford and G. A. Saunders. The Rise of the Superconductors. CRC Press, 2004; Gerhard Bomer. The Early Universe. Springer, 2004. .

События, происходящие внутри сверхпроводника и приводящие к мгновенной потере электросопротивления, — пример того, что физики называют нарушением симметрии 69 69 Существует полезный раздел по теме нарушения симметрии в кн.: John Barrow. New Theories of Everything. Oxford University Press, 2007. См. также: Robert Crease and Charles Mann. The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. Rutgers University Press, 1996: Broken Symmetries. A Scientific Backgrounder on the Nobel Prize in Physics. Royal Swedish Academy of Sciences, 2008. . Концептуальный прорыв Намбу состоял в том, что он поставил вопрос: а вдруг именно какое-то нарушение симметрии, происшедшее где-то во Вселенной, сделало безмассовые частицы массивными? В своей статье он набросал вариант такого развития событий, при котором протоны, нейтроны и некоторые другие частицы могли приобрести массу. В работе Намбу не содержалось никаких доказательств, но она заронила в умы физиков, в том числе Хиггса, мысль о том, что нарушение симметрии может быть ключом к пониманию происхождения массы.

Трудно переоценить значение, которое симметрия сыграла в истории физики. Всегда, еще со времен Галилея, симметрия для физиков была путеводной нитью при постижении законов природы. Под симметрией физики понимают свойства природы, которые остаются неизменными при различных операциях.

Проявление симметрии можно увидеть везде Шар для снукера (разновидность бильярда) вы глядит одинаково, с какой стороны на него ни посмотри, потому что он полностью симметричен Раскрути его вокруг оси, как волчок, и его внешний вид не изменится. Это пример того, что называется вращательной симметрией. Кроме этого существует бесчисленное множество других видов симметрии. Вот пример пространственной, или трансляционной, симметрии: перенесите мяч и положите его на стол рядом с собой — он по-прежнему выглядит так же. Погуляйте минут десять, и, когда вы вернетесь, шар снова не изменится — это временная симметрия. То есть вид шара не зависит от его положения в пространстве или во времени.

Разные виды симметрии настолько глубоко укоренились в нашем сознании, что мы их воспринимаем как должное. Для физиков симметрия является инструментом постижения мира. Если мы знаем вид симметрии объекта или процесса, происходящего в природе, значит, мы на правильном пути к его пониманию. Предположим, вы говорите вашему приятелю-физику, что у вас в левой руке что-то идеально симметричное. Он предположит, что это вероятно, предмет сферической формы. Теперь допустим, что вы говорите, что в правой руке у вас предмет, который полностью симметричен при вращении вокруг вертикальной оси. но при вращении вокруг любой горизонтальной оси он становится прежним только после каждого полного оборота Ваш друг легко догадается, что вы держите кий для снукера. Посмотрите на замелованный конец кия и убедитесь, что он выглядит так же, сколько бы вы его ни вращали вокруг вертикальной оси. Но, если вы начнете поворачивать кий концом вверх или в сторону, он будет выглядеть так же только тогда, когда замелованный кончик кия вернется в исходное положение. Зная симметрию объекта, можно понять, как он выглядит. Кстати, ваш друг-физик с тем же правом мог бы предположить, что вы держите в руках карандаш, рожок мороженого или даже сомбреро.

В 2008 году Ёитиро Намбу получил Нобелевскую премию по физике за свою работу по нарушению симметрии. Когда профессор Ларе Бринк, член шведской Королевской академии наук, вручал награду, он начал с провозглашения простой истины: “Земля круглая”. И продолжил, рассказав не только о том, как люди понимают симметрию, но и как она важна в установлении законов физики. Земля, как и любая другая планета, круглая, поскольку гравитационное поле симметрично. Оно распространяется одинаково во все стороны из центра массы, порождающей это поле.

Однако Земля помогает понять, что симметричные законы не обязательно формируют мир в симметричной форме. Законы физики, определяющие, насколько наша планета велика и как она вращается в пространстве, симметричны, но не нужно вглядываться слишком пристально, чтобы увидеть, что наша планета не является идеальной сферой — она приплюснута у полюсов. Кроме того, движение континентальных плит привело к появлению возвышающихся над поверхностью горных хребтов. Форма Земли является свидетельством того, что, даже если законы физики симметричны, результаты этих законов не обязаны быть симметричными. Реальный мир скрывает симметрию законов, которые им управляют.