Книга В поисках частицы Бога - Иэн Сэмпл

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.

Каждый раз, когда вы поднимаетесь с постели, вы становитесь свидетелем некоторого нарушения симметрии. Гравитационное поле Земли ломает симметрию направлений в нашем мире. Гравитация определяет, какое направление является направлением вниз, и, как только это установлено, определяются соответственно направления вверх, влево и вправо. Нет гравитационного поля — нет низа и верха.

Отклонения от симметрии иногда могут быть более информативными, чем сама симметрия. Посмотрите в зеркало. Если вы миловидны, а я предполагаю, что это так, то вы увидите, насколько симметрично ваше лицо. Ваши глаза находятся примерно на одном уровне, то же самое с ушами, и выступают они с каждой стороны лица одинаково. Ваш нос и рот лежат на линии, которая проходит точно между глаз к центру подбородка. Про волосы говорить не будем — неизвестно, какую прическу вы в этот момент соорудили.

Многие ученые полагают, что симметричное лицо красиво, потому что считают симметрию признаком здорового развития сточки зрения генетики Теория собрала много доказательств, подтверждающих это. Биологические сбои, тормозящие экспрессию, проявление определенных генов, могут приводить к медицинским аномалиям, которые и выдает лицевая асимметрия. Некоторые отличительные признаки асимметрии лица указывают на генетический сбой, называемый синдромом “хрупкой Х-хромосомы”, — наиболее распространенное сегодня наследственное психическое нарушение. В биологии, так же как и в физике, симметрия, или ее отсутствие, позволяет нам глубже понять процессы, скрытые от глаз.

Намбу предположил, что в основе приобретения частицей массы лежит спонтанное нарушение симметрии. Вы можете увидеть его в действии, если поставите ручку вертикально и отпустите ее. Ручка упадет в то или иное положение. Она перейдет из стоячего симметричного положения в лежачее — несимметричное. Потеря симметрии неизбежна — ручка находится под действием гравитационного поля Земли и потому падает. Намбу в своей работе предположил, что Вселенная была создана в симметричном состоянии, в котором все частицы были безмассовыми. Потом, благодаря включению нового вида поля, симметрия нарушилась, и некоторые частицы вдруг обнаружили, что получили массу.

Идея Намбу казалась убедительной, но обладала недостатком, который осознавал и он сам. Британский физик Джеффри Голдстоун отметил, что вид нарушения симметрии (спонтанное нарушение симметрии), предложенный Намбу, пришел с обязательным гарниром — безмассовыми частицами (бозонами Намбу-Голдстоуна)70. Это означало, что они должны были появляться в процессе нарушении симметрии. Если эти неизвестные частицы существовали, они легко возникали бы в природе и вылетали из Солнца и других звезд. Мы бы видели их везде. Тот неоспоримый факт, что мы их не видим, заставил ученых предположить, что теория Намбу неправильна.

Хиггс был не единственным, кто понял глубинный смысл работы Намбу. В Корнеллском университете в штате Нью-Йорк два физика — Роберт Браут и Франсуа Энглер — были уверены, что работа Намбу невероятно важна для физики элементарных частиц. Ученые познакомились несколькими годами ранее, когда Брауту, который уже был в Корнелле, понадобился помощник. Браут спросил своего друга Пьера Эйгрейна, известного европейского физика, есть ли у того кто-нибудь на примете. И уже вскоре Энглер, инженер, переквалифицировавшийся в физика и работавший с Эйгрейном в Свободном университете Брюсселя, покупал билеты на самолет, отправлявшийся в Америку.