Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса - Дэйв Голдберг

Строго говоря, все это не предсказания, а постсказания. Мы и раньше знали, на что похожи фотоны и электромагнетизм. Тем не менее красота симметричного подхода состоит в том, что мы получаем все, буквально все законы электромагнетизма из простого предположения о симметрии. Недостает одной-единственной детали: заряд электрона, силу, с которой заряженные частицы взаимодействуют с электромагнитным полем, приходится вводить вручную. Эта теория неимоверно красива, но чтобы у вас защекотало шестое чувство, поясню: каждый раз, когда вы сталкиваетесь с теорией, где есть какое-то число, которое приходится подстраивать вручную, это вернейший признак того, что история еще не закончена.

Почему в самом деле существует два разных типа частиц?

С электромагнетизмом нам крупно повезло.

Максвелл подарил нам свои уравнения еще в XIX веке, и хотя переформулировать их в рамках фазовой симметрии и в самом деле значительное интеллектуальное достижение, честное слово, куда как проще решать задачу, когда заранее знаешь ответ. И все равно это была отнюдь не только математика ради математики — это открытие пробудило к жизни идею, что симметрии могут генерировать и другие силы (осторожно, спойлер: так и есть на самом деле).

В 1954 году Янь Чжэньнин и Роберт Л. Миллс из Брукхейвена разработали общий механизм перевода симметрий в силы. Янь и Миллс были интеллектуальными наследниками Эмми Нётер и довели ее увлечение симметриями и инвариантами до поистине эшеровского предела.

Вспомним, что Нётер говорила, что если у вас есть симметрия, то есть и сохраняемая величина. Янь и Миллс утверждали, что если предположить, что калибровочная симметрия имеет место — ну, вроде фокуса, когда подкладывают магниты, чтобы сбить компас, — значит, должна быть хотя бы одна частица-переносчик взаимодействия, а может быть, и несколько. Иначе говоря, симметрия не просто дает нам законы сохранения. Согласно Яню и Миллсу, если предполагаешь наличие симметрии, то получаешь фундаментальное взаимодействие от и до.

Легко сказать, но трудно сделать[99]. Симметрий у математиков целая куча, многие из них до ужаса абстрактны, а большинство имеет очень мало отношения к реальной жизни, а то и вообще никакого. К счастью, во вселенной есть кое-какие подсказки по поводу того, как должны работать симметрии.

Возьмите слабое взаимодействие. Прошу вас.

Без слабого взаимодействия нам совсем не жить. Это механизм, который пережигает водород в гелий и в процессе превращает протоны в нейтроны. Именно эти частицы обычно привлекают к себе больше всего внимания, однако и мелкие игроки — нейтрино и позитроны — тоже его заслуживают. Красноречивая деталь: похоже, везде, где возникает слабое взаимодействие, замешаны нейтрино или антинейтрино. Судя по всему, они постоянно маячат в тех местах, где электроны тоже чувствуют себя как дома.

Нейтрино связаны с электронами очень тесно. Наглядное тому свидетельство мы видим в зоопарке частиц. Фермионы собраны в пары. Это не просто условность, а еще одна симметрия.

Симметрии электрона и нейтрино математики тоже подобрали особое название. Они именуют ее SU (2). Может быть, вас несколько примирит с действительностью мысль о том, что мы эту симметрию уже видели, просто совсем в другом контексте. Это та самая симметрия, которая описывает спин. Электроны могут обладать и спином вверх, и спином вниз, и любым их сочетанием. Кроме того, мы видели, что неважно, в каком состоянии электрон находится. Если я превращу все «вверх» во «вниз» и наоборот, все взаимодействия, в сущности, останутся прежними.

Подобие это настолько идеальное, что эквивалент электрического заряда называют слабым изоспином. Точно так же как электрон со спином вверх и электрон со спином вниз имеют полный спин ½ независимо от направления, вверх в данном случае соответствует нейтрино, а вниз — электрону, и слабое взаимодействие способно превратить один вид в другой. Если бы вы превратили все электроны в нейтрино и наоборот во всей вселенной, слабое взаимодействие и ухом бы не повело.

Вообще-то это довольно странное открытие. В нормальной обстановке электроны и нейтрино совсем не похожи друг на друга. Все дело в том, что нашим миром в основном правит электромагнетизм, а он неизмеримо сильнее слабого взаимодействия. В электромагнетизме электрон и нейтрино и правда совсем разные. У одного есть заряд, а у другого нет.

Главное — у нас есть симметрия, а из симметрии мы получаем сохраняемую величину[100]:

Слабое взаимодействие ведет себя практически так же, как электрический заряд в электромагнетизме. Оно говорит нам о том, как взаимодействуют друг с другом разнообразные частицы. А кроме того, поскольку слабое взаимодействие устроено несколько сложнее, у него есть и другое свойство под названием слабый гиперзаряд, который, если не вглядываться, подозрительно напоминает обычный электрический заряд.

А еще у нас есть частицы-переносчики взаимодействия. В слабом взаимодействии они называются бозонами W+, W— и Z0 и, как нам вскоре предстоит убедиться, ведут себя несколько сложнее, чем мы надеялись. Вот, например, среди частиц, участвующих в слабом взаимодействии свирепствует эпидемия ожирения, к которой Янь и Миллс готовы не были.

Почему атомы не взрываются?

Прежде чем мы окончательно отшлифуем стандартную модель, нужно закончить инвентаризацию. Электронами и нейтрино дело не ограничивается. Например, из них нельзя сделать атом. Составляющие атомов — протоны и нейтроны — представляют собой довольно-таки очевидную симметрию. Как выразился Дэвид Гриффитс, физик из Рид-колледжа:

У нейтрона есть одна поразительная особенность, которую заметил еще Гейзенберг вскоре после открытия этой частицы в 1932 году: помимо очевидного факта, что нейтрон не обладает зарядом, он практически идентичен протону… Гейзенберг предложил считать нейтроны и протоны двумя «состояниями» одной и той же частицы — нуклеона.

Разница в массе между нейтронами и протонами составляет всего-навсего около 0,1 %. А еще, как мы видели, они очень тесно связаны, поскольку первые могут распадаться на вторые. И это неудивительно, поскольку нейтроны и протоны сделаны, в общем-то, из одного теста.

Как вы уже знаете, существует особая разновидность частиц под названием кварки. Экспериментально их существование подтвердили в 1967 году в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, когда уже некоторое время теоретически подозревали, что они должны быть. У нас речь пойдет в особенности о двух их типах — верхнем и нижнем: два верхних и нижний кварк составляют протон, а два нижних и верхний — нейтрон. Иначе говоря, превращение протона в нейтрон сводится к превращению верха в низ.

Содержание кварков

Отношения между верхними (U) и нижними (D) кварками представляется примерно таким же, как отношения между электроном и нейтрино. Однако в каком-то смысле кварки совсем не похожи на электроны и нейтрино.

Мы разделили стандартную модель на фермионы и бозоны, а теперь разделим на две части еще и фермионы. Загляните в таблицу частиц в конце книги, и вы увидите, что я это уже проделал. В одну сторону отложим электроны, мюоны, тау-частицы и нейтрино — все вместе они называются лептоны, — а в другую кварки. Между этими кучками огромная разница, которая состоит в том, что кварки подвержены сильному взаимодействию, а лептоны нет.

Если вам интересно, почему существуют две поразительно похожие кучки частиц, но одна подвержена сильному взаимодействию, а другая нет, честно признаюсь, что ответа на этот вопрос я не знаю. Объединить электромагнетизм и слабое взаимодействие нам удалось, но куда пристроить сильное взаимодействие, мы пока не разобрались.

Сильное взаимодействие скрепляет ядро атома. И это не пустяк. Ведь любой протон — это пороховая бочка, которая только и ждет, как бы взорваться. У двух верхних кварков заряды положительные, что означает, что по законам электромагнетизма они должны отталкиваться. И сила отталкивания получается исполинская — примерно в 1030 раз больше обычного гравитационного ускорения Земли, — из чего следует, что для того, чтобы не дать этой конструкции развалиться, нужно что-то еще сильнее.

Как и в случае слабого взаимодействия, симметрия сильного взаимодействия получила особое название — SU (3). И, как и в случае слабого взаимодействия, эта симметрия предсказывает наличие сохраняющейся величины: это цвет. В общем и целом это эквивалент заряда, только для кварков. Странность состоит в том, что любой конкретный тип кварка может быть одного из трех цветов — красный, зеленый или синий. Уточню на всякий случай, что это просто названия. Если бы можно было при помощи мощнейшего микроскопа заглянуть на субатомные уровни, мы бы увидели, что синий кварк ничем не отличается от красного. С тем же успехом можно было бы взять любые три прилагательных, у которых есть что-то общее, например, «законопослушный», «нейтральный» и «хаотичный», как в игре «Dungeons & Dragons».