Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения

Предположим, что в каждом доме есть диск, указывающий на какой-то язык. В данный момент все диски стоят в положении «английский», поэтому все говорят по-английски. Это облегчает общение. Если моя жена решит организовать вечеринку, она может рассказать об этом Стеф по-английски, которая затем расскажет об этом Лилии (тоже по-английски), и т. д. Сообщение быстро распространяется. Но что будет, если все диски начнут менять язык: перескакивать с английского на американский английский, потом на другие языки, а в итоге остановятся на французском? Теперь все говорят по-французски, но разве это проблема? Конечно, нет. Если моя жена хочет организовать очередную вечеринку, она может сказать об этом Стеф по-французски, а та затем по-французски расскажет Лилии и т. д. Сообщение снова распространяется. Можно даже сказать, что оно сохраняется благодаря симметрии нашего диска с настройками.

Но мы также говорили, что симметрия оказалась лучше этой. Ее модернизировали и локализовали. Это означает, что теперь разные диски не обязаны поворачиваться в унисон. Возможно, наш диск настроен на французский язык, диск Гэри и Линн – на немецкий, а Стеф с Питом говорят на суахили. Может оказаться, что все общаются на разных языках. Значит ли это, что моей жене сложно организовать следующую вечеринку? Нет: природа находит умный способ приспособиться – калибровочную теорию. Она предоставляет каждому дому персонализированный языковой словарь, дающий возможность общаться с ближайшими соседями. Наш словарь помогает переводить с французского на немецкий, чтобы мы могли общаться с Гэри и Линн, или на суахили, чтобы мы могли говорить со Стеф и Питом. Сообщение о вечеринке по-прежнему может разойтись по улице. Каждому дому во вселенной нашей улицы позволено установить диск на любой язык по своему выбору, потому что природа снабжает все дома подходящим словарем. Физики предпочитают называть их калибровочными полями. Они помогают передавать сообщения туда и обратно. Вот почему мы думаем о калибровочных полях как о силах природы. В электромагнетизме калибровочное поле – электромагнитное, а соответствующий квант – фотон, то есть частица света. Поле помогает передавать электромагнитные сообщения между заряженными частицами.

Теперь у нас есть эта причудливая новая усиленная симметрия, но где же в ней ноль? Оказывается, он прячется в словарях. Мы можем задаться вопросом, сколько энергии требуется, чтобы пошевелить калибровочное поле / словарь или изменить его каким-либо образом. Ведь чем труднее шевелить, тем тяжелее должен быть объект. Представьте, что вы с одинаковой силой дергаете за хвост мышь и слона. Слон пошевелится гораздо меньше, потому что он намного тяжелее. В некотором смысле то же относится и к калибровочному полю: если мы можем изменить его с маленькими затратами энергии, то поймем, что оно очень легкое, а если нет, мы поймем, что оно тяжелое. Так где же ноль? Ответ лежит в калибровочной симметрии. Что произойдет, если мои соседи решат сбросить настройки своего диска и перейти на какой-то новый язык? Мы знаем, что это не проблема. Благодаря симметрии они имеют возможность сделать это без каких-либо физических последствий – безо всяких затрат энергии. Природа, естественно, приспосабливается к этим изменениям, обновляя наши словари. Иными словами, должны существовать методы, с помощью которых вы можете изменить калибровочное поле бесплатно, без каких-либо затрат энергии. Это означает, что поле максимально легкое. Оно безмассовое. Это и есть ноль – масса калибровочного поля и соответствующих ему квантов. Благодаря калибровочной симметрии электромагнетизма фотон имеет нулевую массу покоя, что вынуждает его двигаться со скоростью света.

Кажется, у природы есть настоящая жажда симметрии, особенно калибровочной. Калибровочные симметрии дают вам взаимодействия. Они лежат в основе нашего понимания гравитации, сильных и слабых ядерных взаимодействий и, конечно, электромагнетизма. Эта идея господствовала в физике почти столетие. По мере того как мы с помощью все более мощных ускорителей все глубже погружаемся в микроскопический танец субатомных частиц, мы наблюдаем все больше симметрии. Чем ближе расстояние, тем красивее – то есть симметричнее – становится природа. И с каждой новой симметрией появляется какой-нибудь ноль.