Книга Бытия. Общая история происхождения

Очарование нарушенной симметрией можно найти во многих художественных произведениях. Регулярный ритм совершенной симметрии и успокаивает, и умиротворяет, но есть риск, что он станет скучным, перестанет вызывать эмоциональный отклик, потому что из него уйдет спонтанность, а нарушение порядка беспокоит, но при этом и возбуждает любопытство, оно подталкивает нас к выходу из зоны определенности и к попыткам выяснить, куда может завести это нарушение равновесия. Какое-то мгновение мы колеблемся в страхе: куда нас заведет эта новизна? Какие риски несет она с собой? Но художник нас успокаивает и возвращает к хорошо известной конструкции. Так же, следя за главной темой симфонии, мы боимся потерять ее в вариациях и успокаиваемся только тогда, когда узнаем ее в умиротворяющих объятьях финала. Все это знакомые приемы, использованные с величайшим мастерством знаменитыми художниками или гениальными музыкантами вроде Баха или Моцарта. В создаваемом ими напряжении секрет непревзойденного очарования великих шедевров, от наклона Пизанской башни до асимметричной и интригующей улыбки Моны Лизы, до скульптур Арнальдо Помодоро из позолоченной бронзы, наконец, – этих полированных и совершенных сфер, словно рожденных самой математической магией, которые он пронзает и разрывает, чтобы показать их страдающее нутро.

Если нарушение симметрии в художественном поле – свободный творческий акт, вызывающий удивление и восхищение, то почему бы и природе не поддаться тому же искушению?

Чтобы лучше понять, какую роль играет спонтанность в симметричных структурах физики, воспользуемся примером из механики: представим карандаш, стоящий на своем остром кончике на плоской поверхности. Его начальное положение совершенно симметрично. Карандаш может поворачиваться вокруг своей оси, и законы физики для него не изменятся, потому что гравитационное поле симметрично относительно поворотов вокруг его оси. И значит, падая на плоскую поверхность, карандаш может принять любое направление. Его симметричное состояние нестабильно, и, как только его предоставят самому себе, он упадет. Лежа на горизонтальной поверхности, он будет в стабильном состоянии, но вращательная симметрия окажется нарушенной, так как он выбрал какое-то одно из возможных направлений. Падая на поверхность, карандаш потерял энергию и симметрию, но приобрел стабильность и множественность состояний.

Что-то подобное и произошло в ранней Вселенной. Начальное горячее состояние было очень симметричным, но зато неустойчивым; остывая, Вселенная теряла симметрию, но обретала устойчивость.

Но каким было состояние с меньшей энергией, в котором Вселенная пребывала? Какой механизм мог вызвать спонтанное нарушение электрослабой симметрии?

Эта проблема стала очевидна уже с первым плачем новорожденной теории, и для нее были предложены разнообразные решения, ни одно из которых не обладает достаточной убедительностью. Правильная идея появилась только в 1964 году – ее предложили трое молодых физиков, едва перешагнувших тридцатилетний рубеж: два бельгийца Роберт Браут и Франсуа Энглер и их почти ровесник из Великобритании Питер Хиггс.

И снова какие-то юнцы проталкивают новую идею, противоречащую всем схемам, и ее никто не принимает всерьез, потому что она по-настоящему революционна.

Если два взаимодействия описываются одними и теми же уравнениями, то нарушение симметрии может затрагивать только среду, в которой они распространяются, – то есть вакуум. Другими словами, это в вакууме оказывается нарушенной симметрия. Потому что вакуум… совсем не пуст. Некое поле присутствует в каждом уголке Вселенной с незапамятных времен. Это поле Хиггса, а связанную с ним элементарную частицу следует добавить к другим фундаментальным частицам Стандартной модели. Только так можно объяснить, почему слабое взаимодействие и электромагнитное ведут себя столь непохожим образом, что трудно заподозрить их родство, даже отдаленное.

А в маленькой раскаленной первоначальной Вселенной поле Хиггса было в возбужденном состоянии – и из-за этого все вокруг было идеально симметрично. Стоило температуре уменьшиться, как оно застыло в состоянии равновесия с меньшей энергией – и от этого нарушилась изначальная симметрия. Бозоны W и Z становятся массивными оттого, что поле их изрядно запутывает, словно сеть, а фотон ускользает из нее и продолжает повсюду носиться, лишенный массы, так как его поле даже не пощекотало.

Аналогичный механизм объясняет, почему у лептонов и кварков такие разные массы. Они тоже все родились демократично лишенными массы. Это поле Хиггса их разделило, дав кому-то массу побольше, а кому-то поменьше. Чем сильнее взаимодействие с полем, тем больше масса частицы.

Все разрешилось вполне элегантно, оставалась только сущая мелочь… А точно ли существовало это поле Хиггса? Кто мог быть уверен, что именно это элегантное решение выбрала природа? Если где-то есть такое поле, из него должна выскочить ассоциированная с ним частица! Так начиналась великая экспедиция в поисках бозона Хиггса.

Открытие бозона Хиггса