Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Физики, работающие в Швейцарии на Большом адронном коллайдере CERN, увлечены поиском частицы нового типа, названной бозоном Хиггса. На карту поставлено гораздо больше, чем просто попытка добавить еще одну позицию в меню известных типов элементарных частиц, состоящем из кварков, электронов и т. д. Экспериментальное обнаружение бозона Хиггса подтвердит теорию, описывающую нарушение симметрии между двумя фундаментальными силами природы, в результате которого элементарные частицы получают массу. А если бозон Хиггса не удастся обнаружить, то это будет еще более захватывающим событием, которое вернет нас назад к работе по объяснению всего этого. Чтобы показать, насколько высоки ставки, я сначала должен сказать пару слов о том, что физики подразумевают под терминами «симметрия» и «нарушение симметрии»[88]

.

Симметрия физических законов — это свойство законов сохранять свою форму при определенных изменениях системы отсчета. Огромная часть физики XX в. была посвящена открытию таких симметрий. Все началось в 1905 г., когда Эйнштейн с помощью своей специальной теории относительности установил, что все физические законы, включая те, которые используются для измерения скорости света, остаются неизменны, когда мы наблюдаем за природой, находясь в движущейся лаборатории.

Однако симметрии физических законов природы не ограничены только теми изменениями, которые связаны с наблюдениями отсчета пространства и времени, как в СТО. Законы природы могут также оставаться неизменными, когда мы заменяем в наших уравнениях частицы одного типа на частицы другого типа. Например, атомное ядро состоит из частиц двух типов: протонов и нейтронов. Еще в 1930-х гг. было обнаружено, что законы, описывающие сильное взаимодействие, удерживающее эти частицы вместе в атомном ядре, не изменяют свою форму при замене протонов на нейтроны или даже при замене протонов (и нейтронов) на смешанные состояния, когда, например, частица на 30 % протон (нейтрон) и на 70 % — нейтрон (протон).

Дело не в том, что физики в 1930-е гг. уже знали законы, описывающие сильное ядерное взаимодействие. Если бы они их не знали, тогда протон-нейтронная симметрия оказалась бы только побочным эффектом. Важность симметрий состоит в том, что мы можем выявить их в экспериментах и использовать для постановки новых экспериментальных задач, даже если не знаем законы, которым они подчиняются. Например, даже не понимая природу ядерного взаимодействия, физики смогли на основании протон-нейтронной симметрии сделать вывод о том, что энергии нижних уровней ядер бора-12 и азота-12 должны быть одинаковы и равны энергии одного из возбужденных состояний углерода-12, поскольку все три этих ядерных состояния могут быть превращены одно в другое заменой протонов и нейтронов на смешанные состояния протонов и нейтронов. Зачастую симметрии — это незаменимые ключи к тому, что происходит на более фундаментальном, недоступном нам уровне.

В начале 1960-х гг. физики-теоретики вдохновились новой идеей, согласно которой природа может подчиняться гораздо более богатому разнообразию симметрий, чем мы себе представляли. Идея заключалась в том, что законы природы, выраженные в виде математических уравнений, могут обладать симметриями, которыми не обладают физические явления, описываемые решениями этих уравнений. В подобных случаях мы говорим о нарушении симметрии — симметрии могут быть строгими свойствами законов природы, но при этом они не проявляются непосредственно в физических явлениях.

Нарушение симметрии имеет физические последствия, и речь идет не только о точечных последствиях вроде протон-нейтронной симметрии, которая распределяет частицы или ядерные состояния по семействам с одинаковыми энергетическими уровнями. В 1962 г. Джеффри Голдстоун, Абдус Салам и я, развивая ранние предположения, выдвинутые Голдстоуном и Йоитиро Намбу, доказали теорему, которая описывает вероятные общие последствия нарушения симметрий. Она гласит, что в любой теории, где нарушается симметрия, например протон-нейтронная симметрия, должны существовать частицы, не обладающие массой или спином, — по одному типу таких частиц на каждую нарушенную симметрию. Подобные новые частицы, не имеющие массы, не были известны, но они не могли бы спрятаться от детекторов, поскольку для их создания не требуется даже минимальный уровень энергии. Поэтому казалось, что факт их отсутствия говорит об отсутствии вероятности существования нарушенных симметрий в природе.