На лужайке Эйнштейна

Все частицы обладают свойством, называемым спином, – разновидностью внутреннего вращения, которое отвечает за то, как частицы представлены в разных системах отсчета. Мне нравится иллюстрировать это свойство на примере с пляжным мячиком. Когда мячик пролетает мимо меня, я вижу рисунок то на одной стороне его поверхности, то на другой, так, словно он вращается, хотя в его собственной системе отсчета никакого вращения нет вообще. Конечно, вопрос о том «действительно» ли мяч вращается, не имеет смысла, потому что движение относительно. Наблюдатель, обходящий на 360 градусов вокруг находящегося в покое объекта, и наблюдатель, который стоит на месте, а объект поворачивается на 360 градусов – два эквивалентных описания одного и того же.

Про частицы, обладающие ненулевым спином, в зависимости от его проекции на направление движения говорят, что они имеют правую или левую спиральность, словно бы частица была закручена в направлении движения или в противоположном направлении[25]. Но спиральность относительна: если у вас есть частица с правой спиральностью, вы всегда сможете бежать быстрее нее, и, обернувшись, вы увидите, что знак спиральности частицы сменился на противоположный. Спиральность зависит от системы отсчета, в которой она измеряется[26].

Это проблема. Спиральность зависит от системы отсчета наблюдателя – это означает, что она не реальна. Не существует истинного различия между частицами с левой и правой спиральностями. И все же эксперименты в конце пятидесятых годов показали, что слабые ядерные взаимодействия, в которых участвуют кварки и электроны, действуют по-разному на лево– и правоспиральные частицы, бросая тем самым дерзкий вызов главному принципу теории Эйнштейна и его современному воплощению в виде калибровочной симметрии. Отразите пространство-время в зеркале, поменяйте местами лево и право, и вы увидите другой мир. Как если бы левое и правое имело какое-то значение. Как если бы они были инвариантами. Почему при слабых взаимодействиях спиральность проявляет себя как инвариантное свойство материи, когда оно в действительности зависит от наблюдателя?

Существует только одна возможность: если частицы движутся со скоростью света, то никто и никогда не может их обогнать; иными словами, во всех системах отсчета левоспиральные частицы останутся левоспиральными, а правоспиральные частицы – правоспиральными. Даже несмотря на то что спиральность принципиально зависит от системы отсчета наблюдателя, левоспиральность и правоспиральность в данном случае будут всегда проявляться как инвариантное свойство материи.

Казалось бы, это достаточно простое решение проблемы: просто все кварки и электроны должны перемещаться со скоростью света. Но основная загвоздка состоит в том, что кварки и электроны обладают массой. Вы не можете одновременно обладать массой и перемещаться со скоростью света – даже крошечный вес заставит вас замедлить скорость. Если частицы движутся медленнее, чем свет, то получается, что мы не можем объяснить, почему слабое взаимодействие предпочитает левоспиральные частицы, не нарушая при этом калибровочную симметрию.

Картина меняется, если у вас есть хиггсовское поле. Физики предположили[27] существование скалярного поля, всюду заполняющего пространство-время таким образом, что при взаимодействии с ним знак спиральности у частиц меняется на противоположный. Так, слабое взаимодействие только думает, что оно действует исключительно на левоспиральные частицы, а хиггсовское поле в фоновом режиме меняет правое с левым, из-за чего в слабом взаимодействии участвуют и правоспиральные, и левоспиральные в равной степени. Теперь вы можете отразить пространство-время в зеркале, и мир от этого не изменится. Благодаря хиггсовскому полю такие частицы, как кварки и электроны, могут иметь массу, не нарушая калибровочной симметрии.

Если вы внимательно посмотрите на то, что делает бозон Хиггса, вы заметите, что со временем происходит что-то странное. Когда левоспиральный электрон взаимодействует с хиггсовским полем, он переходит в правоспиральный антипозитрон. А антипозитрон – это не что иное, как электрон в системе отсчета, в которой стрела времени развернута вспять.