Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Рассмотрим такой простой пример: пусть прямая стальная спица установлена строго вертикально и на нее сверху чем-то давят. С началом давления она будет сжиматься, но при какой-то пороговой величине давления вдруг, возможно без добавочных внешних воздействий, изогнется — такое положение энергетически выгоднее. Итак, вначале наша система была полностью симметрична относительно вращений, но вдруг эта симметрия спонтанно пропала, причем направление, в котором изогнулась спица, — совершенно произвольно. Именно такой процесс и называется спонтанным нарушением симметрии.

Перейдем теперь к другому примеру. Имеется намагниченный ферромагнетик, он не симметричен, так как в нем выделена ось намагничения. Однако, если нагреть его выше так называемой точки Кюри, когда исчезают ферромагнитные свойства, то спины всех атомов разбредутся по разным сторонам, и он станет в этом плане симметричным. Но если начать его охлаждать, то при переходе через точку Кюри у него появится, возможно, слабая намагниченность в каком-то направлении — и это тоже пример спонтанного нарушения симметрии.

Таким образом, в разных системах симметрия может появляться или исчезать при разных изменениях — увеличении или уменьшении внешнего воздействия. Для элементарных частиц, как мы говорили, характерно, что с ростом энергии силы разных взаимодействий, в том числе слабого и сильного, сближаются. Следовательно, при каких-то очень больших энергиях они одинаковы: существует симметрия по всем взаимодействиям, а вот с понижением энергии эта симметрия пропадает — частицы разделяются по типам.

Действительно, рассмотрим энергию частиц, скажем, в 1000 ГэВ, когда вся энергия, соответствующая массе протона или нейтрона, несколько меньше 1 ГэВ. Ясно, что при таких энергиях различия в массе между нуклоном и безмассовым нейтрино пренебрежимо малы — их можно рассматривать на единой основе.

За счет чего же у некоторых частиц появляется масса? По общей идеологии квантовой теории поля, масса как мера инерции соответствует возможности испускать и поглощать виртуальные частицы, т. е. создавать вокруг себя виртуальное облако, «шубу». Проще всего, конечно, испускать и перепоглощать частицу с нулевым спином и без зарядов — при этом она сама по себе может быть полностью симметрична (напомним, что сила, действовавшая на спицу в первом примере, была симметрична относительно вращений, как и температурное поле второго примера).

Понятие спонтанного нарушения симметрии возникло в теории фазовых переходов Л. Д. Ландау, а в теорию частиц оно было первоначально перенесено в 1961 г. Дж. Голдстоуном, но он показал, что при таком изменении симметрии должно происходить излучение или поглощение скалярной частицы нулевой массы. А в 1964 г. Питер Хиггс доказал, что достаточно допустить существование одного скалярного поля, взаимодействие с которым разрешит все трудности с приобретением массы при снижении энергии частиц.

Эта частица была названа бозоном Хиггса, масса его должна быть порядка 100 ГэВ или больше, но до сих пор он не найден (возможно и существование семейства таких частиц). Основная надежда на его долгожданное открытие, крайне необходимое физике частиц, возлагается сейчас на Большой адронный коллайдер в Женеве — это, фактически, основная его задача.

б. Калибровочные поля: квантовая хромодинамика

Мы уже не раз говорили о замечательной теореме Эмми Нётер[59], согласно которой любое преобразование физической системы, когда ее основные положения не меняются, ведет к закону сохранения какой-то величины. Первоначально эта теорема применялась к более строгому выводу известных уже законов сохранения — энергии, импульса, момента и к доказательству того, что никаких добавочных законов сохранения, связанных с перемещениями системы как целого, не должно быть.

Но можно рассмотреть еще такое преобразование: умножим функции, описывающие частицы, на постоянный множитель- изменим их калибр. Тогда окажется: для того, чтобы функции, отвечающие за полную энергию в теории Максвелла, не менялись, нужно вводить поле, кванты которого имеют нулевую массу и спин 1. Это, очевидно, и есть электромагнитное поле, так что входящую в это выражение постоянную можно отождествить с электрическим зарядом электрона.

Этот результат был известен очень давно, называется он калибровочной (или градиентной) инвариантностью уравнений Максвелла. Его воспринимали как некое чисто формальное свойство электродинамики. А сама инвариантность, согласно теореме Нётер, означала закон сохранения электрического заряда, но, поскольку никаких иных зарядов тогда не было, все эти построения принимались как чисто академические (есть такое жаргонное выражение: «наводить гигиену на физику», т. е. проводить более строгие доказательства и без того ясных положений).