Частица на краю Вселенной

Электрический ток представляет собой поток электронов через вещество. В обычном проводнике электроны натыкаются на атомы и другие электроны, что приводит к сопротивлению их потоку. А сверхпроводники – такие материалы, в которых, если температура достаточно низка, ток может протекать беспрепятственно. Первая обоснованная теория сверхпроводников была построена советскими физиками Виталием Гинзбургом и Львом Ландау в 1950 году. Они предположили, что сверхпроводник пронизывает особый вид поля, наделяющего массой обычно безмассовый фотон. Они, возможно, и не имели в виду новое фундаментальное поле, но сделали предположение о коллективном движении электронов, атомов и электромагнитных полей – вроде того, как звуковая волна – не колебание фундаментального поля, а коллективное движение атомов воздуха, сталкивающихся друг с другом.

Хотя Ландау и Гинзбург предположили, что за сверхпроводимость отвечало своего рода поле, они не уточнили, что это было за поле. Этот шаг сделали американские физики Джеймс Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер, которые в 1957 году построили теорию сверхпроводимости – то, что называется сегодня теорией «БКШ». Теория БКШ является одной из важнейших в физике XX века и, конечно, заслуживает отдельной книги (но моя книга про другое).

В теории БКШ за основу взята идея Купера о том, что частицы могут при очень низких температурах объединяться в пары. Именно эти «куперовские пары» формируют таинственное поле, которое ввели Ландау и Гинзбургом. В то время как один электрон будет постоянно наталкиваться на атомы вокруг него, в результате чего возникнет сопротивление, в куперовской паре электроны существуют таким образом, что когда что-то отталкивает один электрон пары, другой электрон испытывает равное и противоположное притяжение (и наоборот). В результате пары электронов проскальзывают через сверхпроводник беспрепятственно.

Это прямо связано с тем, что эффективная масса фотонов внутри сверхпроводника ненулевая. Когда частицы безмассовы, их энергия прямо пропорциональна их скорости и может варьироваться от нуля до любой величины, какую вы себе только можете представить. Массивные же частицы, напротив, имеют минимальную энергию – энергию покоя, определяемую выражением E = mc². При перемещении электронов в обычном проводнике они толкаются атомами и другими электронами, их электрическое поле мягко встряхивается, при этом создаются очень низкоэнергетические фотоны, которые вы вряд ли когда-нибудь заметите. Именно постоянное излучение фотонов заставляет электроны терять энергию и замедляться, что ведет к уменьшению тока. А в теориях Ландау-Гинзбурга или БКШ фотоны получают массу, и поэтому существует определенная минимальная энергия, необходимая для их создания. Электроны, которые не имеют такого минимального количества энергии, не могут создать какие-либо фотоны и поэтому не могут терять энергию: куперовские пары проходят через вещество с нулевым сопротивлением.

Электроны, конечно, являются фермионами, а не бозонами. Но когда они собираются вместе и создают куперовские пары, они превращаются в бозоны. Мы определили бозоны как переносчиков силовых полей, которые могут скапливаться в одном месте, что отличает их от фермионов – переносчиков полей вещества, требующих места в пространстве. Как мы обсудим в Приложении 1, поля имеют свойство под названием «спин», что также отличает бозонные поля от фермионных. Все бозоны имеют спины, которые являются целыми числами: 0, 1, 2… Фермионы же имеют полуцелые спины: 1/2, 3/2, 5/2… Электрон – фермион со спином 1/2. Когда частицы собираются вместе, их спины могут складываться или вычитаться, так что пара двух электронов может иметь спин 0 или 1 – как раз столько, сколько нужно, чтобы создать бозоны.

Это очень грубое изложение теорий Ландау-Гинзбурга и БКШ, на самом деле в них много тонкостей, в теориях появляется множество разных частиц, взаимодействующих друг с другом и согласованно движущихся по правилам квантовой механики. Для наших теперешних целей ключевой момент состоит в том, что бозонное поле, заполняющее пространство, может дать массу фотонам.

Спонтанное нарушение симметрии

Это последнее утверждение уже очень похоже на идею Хиггса. Но остается вопрос: как можно соединить идею о том, что фотоны внутри сверхпроводника имеют массу, с тем, что в основной симметрии электромагнетизма у фотона массы нет?

Эта проблема была решена несколькими людьми, в том числе американцем Филиппом Андерсоном, русским Николаем Боголюбовым и японцем Йочиро Намбу. Ключевым оказалось то, что симметрия действительно есть, но она скрыта полем, принимающим в сверхпроводнике ненулевое значение. Для этого явления используется жаргонное выражение «спонтанное нарушение симметрии»: симметрия присутствует в основных уравнениях, но частное решение этих уравнений, которое как раз нас и интересует, выглядит не очень симметричным.