Книга Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира - Шон Кэрролл

В нашей привычной воображаемой схеме строения атома электроны вращаются вокруг ядра так же, как планеты вокруг Солнца или Луна – вокруг Земли. Но в нашем случае все это наглядное представление рассыпается, и мы должны уже учитывать квантовую механику всерьез. В отличие от планеты, вращающейся вокруг Солнца, типичный электрон не вращается по орбите на некотором случайном расстоянии, он на самом деле старается приблизиться к ядру по возможности поближе. (Если он все же находится дальше, он, как правило, будет стараться потерять энергию, испустив фотон, чтобы оказаться на более близкой орбите.) А то, насколько он приблизится к ядру, зависит от его массы. Тяжелые частицы могут втиснуться в малый объем пространства, в то время как более легким частицам всегда требуется больше места. Другими словами, размер атомов определяется фундаментальным природным параметром – массой электрона. Если его масса уменьшится, атомы станут намного больше.

И это очень важно. Увеличение размеров атомов не означало бы, что просто увеличился бы размер обычных объектов. Атомы разых веществ держатся вместе за счет химии, а она определяет способы, которыми они в различных комбинациях соединяются друг с другом, и держатся они вместе потому, что при этом обобществляются электроны (по крайней мере, при определенных условиях). И эти условия полностью изменятся, если размеры атомов будут другими. Если масса электрона изменится лишь немного, такие вещи, как «молекулы» и «химические реакции», еще сохранятся, но знакомые определенные правила, существовавшие в реальном мире, изменятся радикальным образом. Простые молекулы вроде воды (H2O) или метана (CH4) останутся почти прежними, но вот сложные молекулы, такие как молекула ДНК или белки, а соответственно и живые клетки, придут в состояние, не подлежащее ремонту. Короче говоря, даже небольшое изменение массы электрона приведет к тому, что вся жизнь на Земле мгновенно закончится.

А изменение массы электрона на большую величину приведет, соответственно, к более драматическим последствиям. Так как мы ручкой на пульте постепенно устремляем поле Хиггса к нулю, электроны становятся все легче и легче, а атомы – соответственно – больше и больше. В конце концов они достигли бы макроскопического, а затем и астрономического размера. После того как каждый атом стал бы таким же большим, как Солнечная система или галактика Млечный Путь, разговор о «молекуле» потерял бы всякий смысл. Вселенная стала бы просто набором отдельных суперогромных атомов, сталкивающихся друг с другом в космосе. Если масса электрона уменьшилась бы до нуля, то атомов вообще бы не стало – электроны не смогли бы удерживаться ядрами. И если бы это произошло внезапно, на наводящий вопрос журналиста Эйснера можно было бы ответить так: «Да, если резко выключить поле Хиггса, зернышко попкорна взорвется».

Есть и еще некоторое более тонкое свойство. Подумаем о трех заряженных лептонах: электроне, мюоне и тау-частице. Единственное различие между ними – величина масс. Если мы выключаем поле Хиггса, эти массы устремятся к нулю, и частицы станут одинаковыми. (Техническое отступление: поле сильных взаимодействий также может иметь ненулевое среднее значение, маскируя действие поля Хиггса, но это значение намного ниже, и мы здесь этот эффект не рассматриваем.) То же самое справедливо и для трех кварков с зарядом +2/3 (верхнего, очарованного и истинного) и для трех кварков с зарядом −1/3 (нижнего, странного, и прелестного). Если бы не было фонового поля Хиггса, в каждой группе частицы были бы идентичны. Это указывает на, пожалуй, самую важную, основную, роль хиггсовского поля: оно выбирает симметричную конфигурацию и разрушает ее симметрию.

Что такое симметрия

Когда мы произносим слово «симметрия», первое, что приходит на ум, это приятная для глаз регулярность. Исследования показали, что симметричные лица, то есть те, что выглядят одинаково слева и справа, как правило, кажутся нам более привлекательными. Но физики (и конечно, математики, у которых они учатся таким вещам) хотят докопаться до сути и понять, что именно делает что-то «симметричным» в самом общем смысле и как эти симметрии появляются в природе.

Простое определение симметрии как «соответствия левой и правой сторон» отражает более широкое определение: мы говорим, что объект обладает симметрией, если мы можем что-то сделать с ним, и после этой операции он не изменится. Если лицо симметрично, легко представить себе, что, отразив одну половинку лица относительно средней линии и приставив отраженную половинку к первой, получаем то же лицо. Но более простые объекты могут иметь и другие виды симметрии.

Возьмем простую геометрическую фигуру, например квадрат. Мы можем обе его половинки отражать относительно вертикальной оси, проведенной точно посередине, приставлять новые половинки к старым и получать в точности первоначальные фигуры – это одна симметрия. Мы можем то же самое проделать при отражении относительно горизонтальной оси, что свидетельствует еще об одной симметрии. (Этой симметрии нет у лица – даже самый красивый человек будет выглядеть странно, если поменять местами верхнюю и нижнюю половины его лица.) А еще мы можем отразить половину квадрата относительно диагонали, а также повернуть квадрат по часовой стрелке вокруг его центра на 90° или любой кратный угол. И при всех этих операциях получится прежний квадрат.

Круг, квадрат и загогулина. Круг имеет множество элементов симметрии, включая поворот на любой угол и отражение относительно любой оси. Симметрия квадрата ниже: он переходит сам в себя при поворотах на 90°, отражении относительно вертикальной и горизонтальной осей или комбинации этих операций. Загогулина вообще не имеет симметрии.

Круг, как и квадрат, выглядит очень симметричным, а на самом деле он еще более симметричный. Мы можем не только отразить его относительно любой оси, проходящей через центр, но и повернуть на любой заданный угол, и он всегда останется прежним кругом. Тут у нас гораздо больше свободы, чем было с квадратом. Произвольная кривая – загогулина – напротив, не имеет никакой симметрии вообще. При любой операции, которую мы с ней проделываем, ее вид меняется.

Симметрия – это способ сказать: «Мы можем изменить объект определенным образом, и ничего с ним существенного не произойдет». Повернем ли мы квадрат на 90° или отразим его относительно центральной оси, он превратится в тот же самый квадрат.

С этой точки зрения идея симметрии не выглядит чем-то полезным. Какое имеет значение, если мы повернули круг, кого это волнует? А волнует нас это по той причине, что симметрии достаточно высокого порядка накладывают очень сильные ограничения на то, что может случиться. Предположим, кто-то говорит вам: «Я нарисовал на листе бумаги фигуру с такой высокой симметрией, что вы можете повернуть рисунок на любой угол, и фигура будет выглядеть так же». И вы понимаете, что эта фигура должна быть кругом (или точкой, которая является вырожденным кругом с нулевым радиусом). Это единственная фигура с такой высокой симметрией. Аналогичным образом, когда речь идет о физике, мы часто можем понять, какой результат должен дать эксперимент, зная, какой должна быть основополагающая симметрия исследуемого процесса.