Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Братья Лондоны, которые первыми попытались объяснить эффект Мейснера, вывели уравнение, описывающее это явление внутри сверхпроводника. Результат наводил на размышления. Каждому отдельному типу сверхпроводника соответствует характерная величина подповерхностного слоя, определяемая микроскопической природой сверхпроводящих токов, возникающих в материале для компенсации внешних полей, – и любое внешнее магнитное поле на этой глубине гасится. Эта величина называется лондоновской глубиной проникновения. Для разных сверхпроводников эта глубина зависит от деталей их микрофизики, но как именно зависит, братья определить не смогли, поскольку микроскопической теории сверхпроводимости в то время не было.

Тем не менее само наличие глубины проникновения поразительно, поскольку подразумевает, что электромагнитное поле в сверхпроводнике ведет себя не так, как обычно, – оно больше не является дальнодействующим. Но если электромагнитные поля под поверхностью сверхпроводника становятся близкодействующими, то и носитель электромагнитных взаимодействий должен вести себя необычно. Какой же из этого следует вывод? Фотон в сверхпроводнике ведет себя так, будто он обладает массой.

В сверхпроводниках виртуальные фотоны, как и переносимые ими электрические и магнитные поля, могут распространяться под поверхностью только на расстояние, сравнимое с лондоновской глубиной проникновения, – в точности так, как обстояло бы дело, если бы электромагнетизм внутри сверхпроводника был результатом обмена массивными, а не безмассовыми фотонами.

Теперь представьте, каково было бы жить внутри сверхпроводника. Для вас электромагнетизм был бы силой с малым радиусом действия, фотоны – массивными частицами, а вся знакомая физика, которую мы связываем с электромагнетизмом как дальнодействующей силой, исчезла бы.

Я хочу еще раз подчеркнуть, как необычна и замечательна эта ситуация. Ни один эксперимент, который вы могли бы провести внутри сверхпроводника – при условии, что он остается в сверхпроводящем состоянии, не показал бы, что во внешнем мире фотоны не имеют массы. Если бы вы были платоновским философом внутри такого сверхпроводника, вам понадобилось бы огромное число догадок об окружающем мире, чтобы прийти к выводу, что некое загадочное и невидимое явление порождает такую иллюзию. Не одна тысяча лет была бы потрачена на размышления и эксперименты, прежде чем вы или ваши потомки смогли бы догадаться о природе реальности, лежащей в основе мира теней, в котором вы живете, или создать устройство, обладающее достаточной энергией для разбиения куперовских пар и выхода из сверхпроводящего состояния; при этом электромагнетизм был бы восстановлен в его нормальном виде и выяснилось бы, что фотон не имеет массы.

Задним числом можно сказать, что мы, физики, могли бы догадаться (просто из соображений симметрии, без непосредственного рассмотрения эффекта Мейснера), что фотоны внутри сверхпроводника должны бы, в принципе, вести себя как массивные частицы. Конденсат куперовских пар состоит из электронов и потому обладает суммарным электрическим зарядом. Это нарушает калибровочную симметрию электромагнетизма, потому что на этом фоне любые положительные заряды, добавленные к веществу, будут вести себя иначе, чем добавленные отрицательные заряды. Так что теперь существует реальное различие между положительным и отрицательным. Но не забывайте, что отсутствие массы у фотонов – признак того, что электромагнитное поле является дальнодействующим, а дальнодействующая природа электромагнитного поля говорит о том, что локальные вариации в определении электрического заряда в одном месте не влияют

на физические законы глобально, во всем объеме вещества. Но если калибровочная инвариантность пропала, то локальные изменения в определении электрического заряда будут иметь реальный физический эффект, и такого дальнодействующего поля, которое могло бы гасить эти изменения, существовать не может. Один из способов избавиться от дальнодействующего поля состоит в том, чтобы сделать фотон массивным.

А теперь вопрос на 64 000 долларов: а не может ли что-то подобное происходить в мире, где мы обретаемся? Может ли причиной наличия масс у тяжелых фотоноподобных частиц служить то, что на самом деле мы живем в чем-то похожем на космический сверхпроводник? Именно этот жгучий вопрос поднял Андерсон, по крайней мере в части аналогии с настоящими сверхпроводниками.

Прежде чем ответить на этот вопрос, нам необходимо разобраться в некотором техническом волшебстве, позволяющем наделить массой фотон в сверхпроводнике.

Вспомним, что в электромагнитной волне электрическое (E) и магнитное (B) поля колеблются туда-сюда в направлениях, перпендикулярных направлению движения волны, как показано на рисунке.