Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

Предсказанные свойства новых частиц обнаружили их глубокое родство с фотонами. Естественно, возник вопрос: не принадлежит ли новая частица к тому же семейству, что и фотон? Нет ли общности между электромагнитными и слабыми взаимодействиями? Прежде чем приняться за объяснение сходства, необходимо понять причину и значение различия между новой частицей и фотоном. Главные различия в их массе. Вся масса фотона обусловлена переносимой им энергией. Он летит со скоростью света и не может изменить своей скорости, его масса покоя равна нулю. Масса покоя новой частицы равна 30 массам нуклона, она очень велика. Могут ли столь различные частицы быть родственниками?

Все ранее известные теории элементарных частиц дали бы решительный отрицательный ответ. Но теория симметрии, на основе фактов, известных в других областях физики, позволила подойти к этому вопросу глубже. Она столкнула ученых с невиданным ранее эффектом, с одним из самых мистических сюрпризов микромира. Оказалось, что один из видов нарушения симметрии — спонтанное нарушение — может придать массу частице, не имеющей массы…

Однако что такое спонтанное нарушение симметрии? Самый наглядный пример спонтанного нарушения симметрии можно увидеть за круглым банкетным столом, все места за которым заняты. Между присутствующими лежат салфетки. Картина расположения салфеток на столе совершенно симметрична. Рядом с любым человеком, справа и слева от него, лежит по салфетке. Но симметрия спонтанно нарушается, как только один из присутствующих возьмет салфетку. Он может взять любую, справа или слева. Однако теперь все должны брать салфетки с той же стороны. Если кто-нибудь поступит иначе — он оставит одного из присутствующих без салфетки, хотя не рядом с ним останется лишняя. Теперь зачастую кладут салфетки на тарелку, стоящую перед каждым посетителем, так что симметрия не может быть нарушена.

Нечто похожее (не внешне, а по существу) наблюдается в куске железа. Каждый атом железа ведет себя как маленькая магнитная стрелка. Тепловые колебания заставляют атомы принимать все возможные ориентации в пространстве, поэтому их магнитные поля ориентированы симметрично во всех направлениях и компенсируют друг друга. Такой кусок железа не обладает свойствами магнита. Но если температура падает, множество соседних атомов могут вдруг ориентировать свои магнитные поля в одинаковом направлении. Возникает спонтанное намагничивание отдельных частей куска железа. Иногда это спонтанное намагничивание может распространиться по всему куску. Тогда весь кусок железа станет магнитом.

Родственный процесс спонтанного нарушения симметрии электромагнитного поля, а следовательно, и состояний электронов внутри металла при понижении температуры, приводит к одному из поразительнейших явлений — явлению сверхпроводимости. Обычно в металлах часть электронов свободна, они движутся внутри металла, как атомы газа в сосуде, каждый независимо от других. Электроны имеют спин 1/2, подчиняются статистике Ферми — Дирака и соответствующим правилам запрета. Когда температура падает ниже определенной критической температуры, электроны внезапно группируются попарно так, что их спины оказываются скомпенсированными. Эти пары ведут себя совсем иначе. Каждая пара выступает как своеобразная частица — квазичастица — со спином, равным нулю, поэтому они подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Все пары ведут себя одинаково, и ни одна из них не может выделиться из коллектива. Они ведут себя не как газ свободных частиц, а как единая сущность, как своеобразная сверхтекучая жидкость, льющаяся сквозь металл, не взаимодействуя с его решеткой. Так возникает явление сверхпроводимости: сверхтекучая жидкость, состоящая из электронных пар, течет в металле, не испытывая сопротивления, не теряя энергию. Электрический ток в сверхпроводнике может течь вечно, не расходуя энергию. Это поразительное явление долго оставалось тайной, пока за разгадку не принялась квантовая теория.

В сверхпроводнике электроны оказываются связанными в пары, как дети, перебрасывающиеся мячом. Мяч не позволяет им разойтись слишком далеко. Для электронов этим мячом являются фотоны, которыми они обмениваются в процессе взаимной компенсации своих спинов. Этот процесс напоминает компенсацию спинов электронов при соединении двух атомов водорода в молекулу. В обоих случаях компенсация спинов осуществляется путем обмена фотонами.