Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Поскольку перпендикулярных направлений два, электромагнитную волну можно изобразить двумя способами. Волна может выглядеть так, как показано на рисунке, а можно поменять поля E и B местами. Это результат того, что электромагнитные волны имеют две степени свободы, которые называют двумя разными поляризациями.

Это объясняется калибровочной инвариантностью электромагнетизма или, что то же самое, отсутствием у фотона массы. Однако если бы у фотонов была масса, то результатом стало бы не только нарушение калибровочной инвариантности, но и возникновение третьего варианта. Электрическое и магнитное поля могли бы колебаться вдоль направления движения, вместо того чтобы придерживаться только перпендикулярных к нему направлений. (Поскольку фотоны уже не двигались бы со скоростью света, стали бы возможны колебания вдоль направления движения частиц.)

Но это означает, что соответствующие массивные фотоны должны иметь не две, а три степени свободы. Как же могут фотоны в сверхпроводниках обрести эту лишнюю степень свободы?

Андерсон исследовал этот вопрос в сверхпроводниках, и его решение тесно связано с фактом, о котором я уже говорил. Если бы в сверхпроводнике не было электромагнитных взаимодействий, в конденсате куперовских пар можно было бы производить небольшие пространственные изменения с энергозатратами сколь угодно малой величины, потому что куперовские пары не взаимодействовали бы друг с другом. Однако, если принять во внимание электромагнетизм, эти низкоэнергетические моды (которые уничтожили бы сверхпроводимость) исчезают, и как раз потому, что заряды в конденсате взаимодействуют с электромагнитным полем. Это взаимодействие заставляет фотоны в сверхпроводнике вести себя так, как если бы они обладали массой. Новый режим поляризации массивных фотонов в сверхпроводнике возникает, когда конденсат колеблется в ответ на проходящую электромагнитную волну.

На языке физики элементарных частиц безмассовые моды Намбу – Голдстоуна, соответствующие корпускулярному варианту исчезающе малых в ином случае энергетических колебаний в конденсате, «съедаются» электромагнитным полем, что придает фотонам массу и новую степень свободы и делает электромагнитное взаимодействие в сверхпроводнике близкодействующим.

Андерсон предположил, что это явление – при котором безмассовый в ином случае фотон исчезает в сверхпроводниках, и безмассовая в ином случае мода Намбу – Голдстоуна тоже исчезает, и обе они вместе соединяются и порождают массивный фотон – может оказаться важным для решения давней задачи создания массивных фотоноподобных частиц Янга – Миллса, которые, возможно, связаны с сильными ядерными взаимодействиями.

Андерсон на этом остановился, оставив в подвешенном состоянии предположение о том, что этот механизм, придуманный по аналогии со сверхпроводниками, может быть применим и в теории элементарных частиц. Так же как и Намбу в свое время остановился на рассмотрении спонтанного нарушения симметрии в физике элементарных частиц по аналогии со сверхпроводимостью, но не исследовал связанное со сверхпроводимостью явление, на котором позже сосредоточился Андерсон, – эффект Мейснера, придающий массу фотонам в сверхпроводниках. Явное приложение всех этих идей к физике элементарных частиц было еще впереди.

В результате физическое сообщество не сумело сразу же распознать возможные глубокие следствия из теории сверхпроводимости для понимания физики фундаментальных частиц, и они какое-то время еще оставались в тени.

Пока мысль о том, что мы, возможно, живем в каком-то космическом сверхпроводнике, не внушала доверия. В конце концов, человек любит выдумывать дичайшие истории для объяснения непонятного, любит изобретать фантастические и скрытые причины всего вроде богов и демонов. Было ли более правдоподобным заявление о существовании во всем пространстве какого-то невидимого конденсата полей, призванного объяснить природу того, что иначе представлялось непонятным в сильном ядерном взаимодействии?

Носимая тяжесть бытия: симметрия нарушена, физика отремонтирована

…соберите оставшиеся куски, чтобы ничего не пропало.

Иоанн 6:12

В природе есть замечательная поэзия, как часто бывает и в человеческих драмах. А в любимых мной эпических поэмах древней Греции, созданных в те же времена, когда Платон писал про свою пещеру, часто встречается такой сюжет: открытие прекрасного сокровища, сокрытого ранее от взглядов людей, небольшой удачливой группой необычных путешественников, которых это открытие меняет навсегда.

Ах, как же мне повезло! Именно это побудило меня изучать физику, ведь возможность впервые открыть какой-то новый чудесный уголок природы очень романтична и обладает невероятной притягательной силой. Вся наша история состоит из таких моментов, когда поэзия природы сливается с поэзией человеческого существования.