Вселенная в зеркале заднего вида

Математики применяют для классификации симметрий свой особый язык под названием «теория групп». Они не слишком пекутся о том, о какой именно симметрии мы говорим — о симметрии квантовой системы, о направлении компаса или о фазе квантового поля. Фазовую симметрию они обозвали U (1)[96]. Выглядит устрашающе, однако в сухом остатке 1 означает всего-навсего, что менять так, чтобы никто ничего не заметил, можно только одно число — саму фазу.

Если бы не Эмми Нётер, это был бы не более чем курьез, однако Нётер научила нас, что если есть симметрия, даже внутренняя, вроде фазы, обязательно найдется какая-то сохраняемая величина. В нашем случае мы имеем дело с сохранением электрического заряда (обратите внимание, я ничего не доказываю).

Фазовая симметрия → закон сохранения электрического заряда

В самом начале книги я говорил, что сохранение электрического заряда навязывают нам вселенские законы, однако теперь мы видим, почему он сохраняется. Это простое следствие из теоремы Нётер и фазовой симметрии.

Зачем вселенной нужны фотоны

Фазовая симметрия не просто дает нам сохранение заряда, и чтобы понять, в чем дело, надо рассмотреть частные случаи.

Представьте себе, что Болванщик решил устроить Алисе (которая мыслит очень буквально) розыгрыш. Он вручает ей компас и велит пройти определенное количество шагов по прямой линии. Алиса глядит на компас и, поскольку стрелка все время указывает в одном и том же направлении, уверена, что шагает по прямой.

Поскольку Болванщик вконец оболванился и явно любит мошенничать, он вполне способен закопать в окрестностях несколько магнитов. В результате стрелка компаса в разных местах отклонятся на разные величины. Следуя стрелке компаса, Алиса проходит всю Страну Чудес по заковыристой кривой, но при этом думает, что идет прямо.

Хотя по законам применения компаса Алиса идет «прямо», любой сторонний наблюдатель сразу заметит, что на нее влияет еще какая-то сила.

На языке физики Болванщик производит локальное преобразование.

Так вот, о симметрии. Сейчас мы предположим (и это будет весьма обоснованное предположение), что где бы Болванщик ни зарыл свои магниты, движения Алисы можно будет предсказать при помощи законов физики.

Идея состоит в том, что можно вмешаться и подправить фазы электронного поля на разные величины в каждый момент времени и в каждой точке пространства. И хотя динамика поля сильно усложнится, согласно нашему предположению использование этой динамики вполне правомерно. Нужно всего-навсего ввести еще одну силу, в нашем случае — спрятанные магниты.

Это диковинная разновидность симметрии. Называют ее калибровочной симметрией[97], и если бы она не действовала, вас бы считали сумасшедшим за то, что вы думаете, будто наша вселенная инвариантна относительно преобразований калибровочной симметрии. Мы — точнее, Герман Вейль, который первым их сформулировал — пользуемся ими, поскольку они действуют. Они в конечном итоге и приводят к физическим законам, которые мы наблюдаем.

В конце сороковых годов Синъитиро Томонага, Джулиан Швингер и Ричард Фейнман обнаружили, что, в сущности, можно вывести весь электромагнетизм с нуля, если просто предположить, что фаза подчиняется калибровочной симметрии. Однако для того, чтобы заставить симметрии работать, им пришлось добавить в уравнения два дополнительных компонента[98]:

1. Уравнения движения, описывающие фотонное поле.

2. Энергию взаимодействия между фотонами и заряженными частицами.

Все просто раз — и возникает как по волшебству. Уравнения воспроизводят все уравнения Максвелла прямо из основных принципов. Они предсказывают, что фотон должен быть частицей со спином‑1 и вообще без массы — и эти предсказания идеально подтверждаются экспериментами.

Строго говоря, все это не предсказания, а постсказания. Мы и раньше знали, на что похожи фотоны и электромагнетизм. Тем не менее красота симметричного подхода состоит в том, что мы получаем все, буквально все законы электромагнетизма из простого предположения о симметрии. Недостает одной-единственной детали: заряд электрона, силу, с которой заряженные частицы взаимодействуют с электромагнитным полем, приходится вводить вручную. Эта теория неимоверно красива, но чтобы у вас защекотало шестое чувство, поясню: каждый раз, когда вы сталкиваетесь с теорией, где есть какое-то число, которое приходится подстраивать вручную, это вернейший признак того, что история еще не закончена.

Почему в самом деле существует два разных типа частиц?

С электромагнетизмом нам крупно повезло.