Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения

В начале 1960-х блестящий, хотя и необщительный японский физик по имени Йоитиро Намбу понял, что в эту игру можно играть и наоборот: иногда симметрию скрывает сам вакуум. Почти пятьдесят лет спустя такие идеи принесли ему поездку в Стокгольм и долю Нобелевской премии. Для большинства людей вакуум представляет собой заброшенное пустое место, где исчезают все поля. Так бывает часто, но, как понял Намбу, так быть не должно. По определению вакуум – самое спокойное из всех квантовых состояний, состояние с наименьшей энергией. Представьте бешеную домашнюю вечеринку, где все танцуют, а дом наполнен энергией и возбуждением. Ясно, что это не особо спокойное состояние, и вы, естественно, не назовете его вакуумом. Позже, когда все отключились, дом оказался в низкоэнергетическом состоянии. Вы можете понизить энергию еще больше, вышвырнув всех гостей. Убрать всю мебель. Удалить весь воздух. Устранить все квантовые поля. Возможно, тогда получился бы вакуум. Может быть. Однако Намбу и его итальянский коллега Джованни Йона-Лазинио показали, что иногда энергию можно еще немного уменьшить. Поля в вакууме в их продуманной модели протонов и нейтронов оказывались не пустыми. Они были заполнены по всему пространству, причем так, что определенные симметрии скрывались.

Модель Намбу и Йона-Лазинио может быть образцом, но если мы действительно хотим понять, как вакуум скрывает симметрию, то нам следует поиграть с более простой моделью – например, той, где участвует бозон Хиггса. Мы можем получить интуитивное представление о происходящем с помощью бутылки вина. Прежде всего – это моя любимая часть – вы должны опустошить бутылку. Когда вы это сделаете, взгляните на донышко. Вы заметите, что стекло имеет форму так называемого курганного замка: в середине находится холмик, а вокруг него – небольшой ров. Если поворачивать бутылку, пока она стоит на донышке, она фактически не меняется в силу своей вращательной симметрии. Теперь оторвите кусочек пробки и бросьте внутрь. Существует очень, очень крохотный шанс, что он упадет не в ров, а точно на вершину холмика. Если теперь вы снова станете очень осторожно вращать бутылку, а пробка не скатится, то симметрия сохранится. Но, скорее всего, пробка упадет куда-то в ров. В этом случае симметрия нарушится. При вращении бутылки вращается и пробка, и картина меняется. Пробка, решив оказаться во рву, похоже, нарушила симметрию.

Спонтанное нарушение симметрии в винной бутылке

Этот кусочек пробки подобен полю Хиггса, а бутылка – его так называемому потенциалу, аналогичному электрическому или гравитационному: он управляет тем, что происходит с бозоном Хиггса, когда вы подпитываете его энергией или отнимаете ее. Мы можем определить величину поля Хиггса, измерив, насколько далеко пробка находится от оси, идущей точно по середине бутылки. Иными словами, если пробка находится на вершине холмика, поле Хиггса равно нулю; если же где-то во рву, то оно ненулевое. На этом рисунке мы также можем определить энергию, запасенную в массе поля: это просто высота пробки, покоящейся в бутылке. Это означает, что самое низкое энергетическое состояние – когда пробка лежит где-то во рву. Как и ожидалось, поле Хиггса обживается в вакууме, где его величина не равна нулю, а симметрия кажется нарушенной.

Вот только на самом деле она не нарушена, а просто скрыта.

Чтобы выявить базовую симметрию, нам нужно выбрать ноль. Оказывается, он прячется в спектре частиц. Вспомните, что частица – это всего лишь колебание в вакууме; в данном случае это колебания кусочка пробки. Ее можно шевелить двумя способами: двигая ее поперек или вдоль рва. Если вы начнете двигать ее поперек рва, вы перемещаете ее вверх по стенке бутылки. Высота пробки говорит нам о количестве энергии, хранящейся в массе поля, поэтому такое колебание мы связываем с частицей, имеющей массу. Если говорить о реальном бозоне Хиггса, то он оказывается тяжелой частицей, которая в конце концов была обнаружена при столкновении протонов в туннеле ЦЕРН. Однако если вы шевелите пробку вдоль рва, ее высота не меняется. Это означает, что в массу поля энергия не передается, поэтому мы связываем такое колебание с безмассовой частицей. Собрав все воедино, мы видим, что в спектре колебаний присутствуют два разных типа частицы: одна с массой, а другая – с нулевой массой. Такая нулевая масса – это скрытая симметрия, заново открывающая свой ноль!

Безмассовые колебания

Колебания, связанные с массой

В 1962 году ученый из Кембриджа Джеффри Голдстоун объединил усилия со Стивеном Вайнбергом и пакистанским физиком Абдусом Саламом, чтобы доказать, что всякий раз, когда вы пытаетесь скрыть симметрии в вакууме, симметрия реагирует и вы обнаруживаете какой-нибудь безмассовый бозон. Это утверждение, названное теоремой Голдстоуна, оказалось катастрофой, ведь весь смысл спонтанного нарушения симметрии заключался в том, чтобы создать массивный бозон, такой как W или Z, а вовсе не безмассовый голдстоуновский.